Bombas na indústria química

A engenharia por trás das bombas hidráulicas - ABEQ

Olá, leitora e leitores. Bombas são equipamentos cruciais na indústria química, pois permitem a transferência de fluidos em diferentes etapas do processo, promovem a circulação de reagentes, produtos e outros materiais, auxiliam no controle de temperatura e pressão do processo, e a agitação e mistura de produtos.

Vale a pena discorrermos um pouco sobre esses equipamentos. Vou também detalhar um pouco dos eventos científicos da Abeq neste ano.

Bombas são equipamentos que transferem energia entre um rotor e um fluido (líquido ou gás). Entre esses equipamentos estão, além das bombas, os ventiladores, sopradores, compressores e turbinas. Um equipamento que adiciona energia a um fluido realizando trabalho é chamado bomba se o fluido é um líquido, e ventilador, soprador ou compressor se o fluido é um gás ou vapor, a depender do aumento de pressão. Ventiladores aumentam muito pouco a pressão do gás ou líquido (+-1 polegada de água), sopradores um pouco mais (+- 1 polegada de mercúrio).

Bombas e compressores podem aumentar muito a pressão do fluido (Fox, 2002). Apesar da definição dada aqui, é relativamente comum se utilizar bombas para gases, ou chamar o equipamento usado com gases de bomba. Há, ainda, a turbina, que é o equipamento que usa energia (movimento) do fluido para gerar trabalho. O foco desse texto são as bombas, e a movimentação de líquidos ou suspensões (líquido com material sólido em suspensão).

Todos os engenheiros químicos aprendem os cálculos básicos relacionados ao dimensionamento de bombas. Essencialmente, o que se deve fazer é calcular a perda de carga do sistema, ou seja, a energia perdida pelo fluido quando ele escoa em um dado percurso considerado – o sistema.

A perda de carga pode ser distribuída ao longo da tubulação, ou localizada, devido a elementos individuais da tubulação, como válvulas, curvas e conexões. As equações envolvidas nesses cálculos são o balanço de energia mecânica (1) e as equações de perda de carga distribuída e localizada (2), e do fator de atrito (3):

Bombeamento na indústria química: ABEQ ©QD Foto: iStockPhoto

Em que: P é a pressão, v é a velocidade do fluido na tubulação, z é a altura, lwf é a perda de carga, n é a eficiência da bomba, Ws é o trabalho fornecido pela bomba ao sistema, f é o fator de atrito na tubulação, L é o comprimento da tubulação, D é o diâmetro da tubulação, K é o fator de perda de carga de cada um dos elementos como curvas e válvulas, g é a aceleração da gravidade, é a rugosidade da tubulação, e Re é o número de Reynolds.

Note que ηW_s é a energia que a bomba deve fornecer ao sistema, que é função da velocidade (ou vazão) do fluido na tubulação. Ou seja, com a equação (1) é possível construir a “curva do sistema”, ou a variação de energia demandada pelo fluido para escoar por todo o sistema em função de sua vazão.

Note também que a equação (1) tem dimensão de comprimento, ou altura. A lógica aí é uma analogia com a altura que uma bomba consegue elevar um fluido. O fluido mais comum é a água, de modo que é comum que as bombas sejam especificadas em função da coluna de água que fornecem, além da vazão.

Outras observações importantes sobre as equações acima é que a equação (3) é conhecida como equação de Colebrook, e que o número de Reynolds (Re) descreve o regime de escoamento do fluido, laminar ou turbulento. Um regime de escoamento laminar é aquele em que não há movimentação radial do fluido e ele escoa como se estivesse empilhado em ‘lâminas’. O escoamento turbulento, o nome denuncia, não tem ordenamento do fluido que se movimenta em todas as direções, apesar do resultado líquido do movimento ser na direção do escoamento, formando turbilhões. A potência fornecida pela bomba ao sistema pode ser medida como o produto da vazão volumétrica e a diferença de pressão antes e depois da bomba.

A equação de Colebrook vale para regime turbulento, em que o número de Reynolds é maior do que 4000, e o balanço de energia mecânica expresso como na equação 1 vale para temperatura constante, e densidade e viscosidade do fluido constante. O número de Reynolds é dado pela expressão seguinte:

Bombeamento na indústria química: ABEQ ©QD Foto: iStockPhoto

Em que µ é a viscosidade, p é a densidade, v a velocidade do fluido e D o diâmetro da tubulação.

Mas, o diabo mora nos detalhes, e os detalhes dependem muito do tipo de bomba utilizada para movimentar o fluido.

Bombas na indústria química: bombas centrífugas

Bombas centrífugas são as mais comuns da indústria, incluindo a indústria química. A bomba centrífuga converte energia rotacional em energia cinética e pressão do fluido. O fluido entra axialmente, é girado pelo rotor e sai com maior velocidade e pressão. A voluta em forma de rosca desacelera o fluxo e aumenta ainda mais a pressão.

A figura 1a apresenta uma representação das partes de uma bomba centrífuga. Uma característica importante das bombas centrífugas é que a pressão (ou “altura de líquido”) fornecida pela bomba diminui com o aumento da vazão, enquanto a pressão requerida pelo fluido para o deslocamento por toda a tubulação aumenta com a vazão. E esses diferentes comportamentos definem a vazão de operação do líquido e a bomba recomendada (figura 1b).

Bombeamento na indústria química: ABEQ ©QD Foto: iStockPhoto
Figura 1 – Representação esquemática de uma bomba centrífuga (Omel, 2024) e curvas características das bombas e do sistema (própria autoria, 2024).

Figura 1 – Representação esquemática de uma bomba centrífuga (Omel, 2024) e curvas características das bombas e do sistema (própria autoria, 2024).

Observe que a vazão e a pressão requerida do sistema podem ser ajustadas utilizando diferentes bombas, ou manipulando a curva do sistema (linha vermelha), aumentando ou diminuindo a pressão requerida. Isso pode ser feito por meio (da abertura ou fechamento) de uma válvula.

Contudo, a figura também indica que a pressão varia com a vazão e que quanto maior a pressão requerida, menor a vazão. Para que se tenha a possibilidade de variar a vazão de maneira independente da pressão, são necessárias bombas de deslocamento positivo. Como tendência geral, quando grandes vazões são necessárias, utilizam-se bombas centrifugas, enquanto pressões maiores e vazões menores estão associadas a bombas de deslocamento positivo.

Uma variável importante para o bom funcionamento de bombas centrífugas é o NPSH, ou altura manométrica de sucção positiva líquida, que pode se referir a uma de duas quantidades na análise de cavitação – fenômeno no qual a pressão estática de um líquido é reduzida abaixo da pressão de vapor do líquido, levando à formação de pequenas cavidades cheias de vapor no líquido. Quando submetidas a pressões mais elevadas, essas cavidades, chamadas de “bolhas” ou “vazios”, colapsam e podem gerar ondas de choque que podem danificar o equipamento no qual o fenômeno ocorre.

O NPSH Disponível (NPSHd): uma medida de quão próximo o fluido de um determinado ponto está do flasheamento e, portanto, da cavitação. Tecnicamente, é a pressão absoluta menos a pressão de vapor do líquido. O NPSH necessário (NPSHR): o valor da altura manométrica no lado de sucção (por exemplo, a entrada de uma bomba) necessário para manter o fluido longe da cavitação (fornecido pelo fabricante).

O NPSH é particularmente relevante dentro de bombas centrífugas. Se ocorrer cavitação, o coeficiente de arrasto das palhetas do rotor aumentará drasticamente – possivelmente interrompendo completamente o fluxo – e a exposição prolongada danificará a peça.

Outros problemas de operação que podem ocorrer com bombas centrífugas são:

  • Desgaste do impulsor – pode ser agravado por sólidos suspensos ou cavitação. Bombas centrífugas podem ter rotores específicos para a presença de sólidos no líquido quando se deseja minimizar a quebra dos sólidos em suspensão.
  • Corrosão dentro da bomba causada pelas propriedades do fluido
  • Superaquecimento devido ao baixo fluxo
  • Vazamento ao longo do eixo giratório.
  • Falta de escorva – as bombas centrífugas devem ser abastecidas (com o fluido a ser bombeado) para funcionar.
  • Engasgue – líquido flui de forma intermitente, resultando em vibrações violentas periódicas da pressão e do fluxo de descarga da bomba, o que torna a bomba instável.
  • Líquidos viscosos podem reduzir a eficiência.
  • Grandes sólidos ou detritos podem entupir a bomba.

Bombeamento na indústria química: ABEQ ©QD Foto: iStockPhoto

Bombas na indústria química: bombas de deslocamento positivo

Uma bomba de deslocamento positivo faz um fluido se movimentar prendendo uma quantidade fixa e forçando (deslocando) esse volume preso para dentro do tubo de descarga.

Uma bomba de deslocamento positivo pode ainda ser classificada de acordo com o mecanismo usado para mover o fluido:

  • Deslocamento positivo do tipo rotativo: bomba de engrenagens interna e externa, bomba de parafuso, bomba de lóbulo, bloco de transporte, palhetas flexíveis e palhetas deslizantes, pistão circunferencial, impulsor flexível e bombas de anel líquido.
  • Deslocamento positivo do tipo alternativo: bombas de pistão, bombas de êmbolo e bombas de diafragma.
  • Deslocamento positivo tipo linear: bombas de corda e bombas de corrente.

As bombas rotativas são muito eficientes porque podem lidar com fluidos altamente viscosos com vazões mais altas à medida que a viscosidade aumenta. Por outro lado, a natureza da bomba exige folgas muito estreitas entre o elemento rotativo e a borda externa, fazendo com que ela gire a uma velocidade lenta e constante. Se as bombas rotativas forem operadas em altas velocidades, os fluidos causam erosão, o que eventualmente causa folgas maiores por onde o líquido pode passar, o que reduz a eficiência.

Uma categoria interessante de bombas de deslocamento positivo são as bombas peristálticas, que possuem roletes que prendem uma seção do tubo flexível, forçando o líquido à frente à medida que os roletes avançam. Por serem muito fáceis de manter limpas, são populares para distribuir alimentos, remédios e concreto. O elemento de dimensionamento crítico é o material do tubo flexível.

Há ainda a bomba de diafragma (também conhecida como bomba de membrana), que é uma bomba de deslocamento positivo que usa uma combinação da ação recíproca de um diafragma de borracha, termoplástico ou teflon e válvulas adequadas em ambos os lados do diafragma (válvula de retenção, válvulas borboleta, válvulas de retenção, ou qualquer outra forma de válvula de corte) para bombear um fluido.

Uma questão importante do dimensionamento dessas bombas é que, no pulso, a velocidade do fluido chega a três vezes a velocidade média, de modo que a pressão requerida é maior do que aquela dimensionada para a vazão de operação média. Bombas de diafragma têm uso mais limitado na indústria. Em termos gerais, estão presentes na dosagem de pequenas quantidades, na dosagem de ácido, base ou coagulantes para o tratamento de efluentes, por exemplo. Ou no tratamento de água de torres de resfriamento.

O motor e a segurança

Por fim, mas não menos importante, algumas palavras sobre segurança. Em geral, o acionamento das bombas é feito por um motor elétrico. Se o fluido bombeado é combustível ou se há material particulado suspenso no líquido, um vazamento pode ser muito perigoso. O funcionamento de um motor elétrico comum produz faíscas que podem gerar explosões a partir de vapores combustíveis, ou nuvens de poeira.

Por isso, nesses casos é comum o uso de motores a prova de explosão, que possuem invólucros especialmente projetados que podem suportar e conter uma explosão interna. Têm selos, vedações e isolamentos para proteger o acesso de vapores ou poeiras potencialmente explosivas a pontos de faiscamento ou alta temperatura.

Ainda, a manutenção industrial deve dar atenção às bobinas do motor. Com o tempo, as bobinas perdem eficiência e pode ocorrer o superaquecimento da superfície, consumo de eletricidade em demasia, perda da capacidade de rotação do eixo central e travamentos, que aumentam as questões de segurança, além do gasto pelo consumo elétrico excessivo.

Ações Abeq – nossos congressos em 2024

Em 2024, a Abeq promove cinco eventos científicos de grande relevância. Em ordem, cronológica, seguem abaixo.

  • ICIM 17:
    O crescimento do mercado global de membranas inorgânicas, impulsionado pelas suas vantagens inerentes sobre as membranas poliméricas, abriu oportunidades para aplicações industriais expandidas. A América Latina emerge como um mercado promissor devido à sua significativa produção de precursores de membranas inorgânicas e ao crescente número de grupos de pesquisa dedicados a esta tecnologia. No Brasil, o ICIM 17, a ser realizado entre os dias 1 e 5 de julho, em Florianópolis-SC, marca a primeira edição da conferência na região, apresentando uma oportunidade única de colaboração e networking, unindo comunidades de pesquisa estabelecidas e emergentes e expandindo as fronteiras das aplicações de membranas inorgânicas.
  • Cobeq-IC:
    O Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica – Cobeq-IC é um evento de caráter científico que reúne estudantes de Engenharia Química e áreas afins que desenvolveram e/ou desenvolvem atividades de pesquisa através dos programas de Iniciação Científica das Instituições de Ensino Superior. Ao longo desses anos mais de 3.200 trabalhos foram apresentados, contando com uma média de 420 participantes por edição. O COBEQ-IC é um evento organizado por instituições de ensino e a organização do XV Cobeq-IC será realizado pela Universidade Federal Rural do RJ (UFRRJ), em particular no Departamento de Engenharia Química, junto com a Universidade de Vassouras (UniVassouras), entre os dias 22 a 25 de julho.
  • II Congresso Brasileiro em Engenharia de Sistemas em Processos:
    O III Congresso Brasileiro em Engenharia de Sistemas em Processos – Próxima Geração de Modelos e Ferramentas para Processos Industriais Sustentáveis, ocorrerá de 29 a 31 de Julho de 2024, em São Paulo. A comunidade de engenharia de sistemas de processos (PSE) possui papel de destaque nas transformações pelas quais a indústria de processos está passando, dentre elas a digitalização, a descarbonização e o tratamento avançado de dados, temas estratégicos nos setores de energia, petróleo e gás, renováveis, especialidades químicas, alimentos e farmacêutico.
  • I Cobbind
    No período de 25 a 28 de agosto, Florianópolis sediará o I Congresso Brasileiro de Biotecnologia Industrial I Cobbind, que pretende discutir a dimensão da amplitude da biotecnologia industrial, criando uma agenda científica e tecnológica mais multidisciplinar e rica, além de agregar novas abordagens em microbiologia industrial e outras áreas de fronteira, permitindo traçar o caminho de cada elo da cadeia produtiva necessária ao estabelecimento de uma Bioeconomia forte.
  • Cipoa:
    A próxima edição da Conferência Iberoamericana sobre Tecnologias Avançadas de Oxidação – Cipoa, um evento bem estabelecido, está programada para acontecer em Florianópolis, de 7 a 11 de outubro de 2024. O objetivo da conferência é reunir cientistas, acadêmicos , e profissionais para apresentarem os resultados das suas pesquisas e discutirem direções e oportunidades futuras relativas aos fundamentos e aplicações de Tecnologias Avançadas de Oxidação nos setores ambiental, químico, alimentar, energético e climático, em direção a uma economia circular sustentável e neutra em carbono.

As empresas interessadas em ter seus nomes associados a esses eventos podem entrar em contato com a Abeq pelo e-mail [email protected].

Texto: André Bernardo

ABEQ

A Associação Brasileira de Engenharia Química (ABEQ) é uma entidade sem fins lucrativos que congrega profissionais e empresas interessadas no desenvolvimento da Engenharia Química no Brasil. É filiada à Confederação Interamericana de Engenharia Química. Seu Conselho Superior, Diretoria e Diretoria das Seções Regionais são eleitos pelos associados a cada dois anos.
Mais informações: https://www.abeq.org.br/

Química e Derivados -

Química e Derivados - André Bernardo é Engenheiro Químico
André Bernardo é Engenheiro Químico

 

 

O AUTOR

André Bernardo é Engenheiro Químico formado na Escola Politécnica da USP, com mestrado em Desenvolvimento de Processos Biotecnológicos pela Faculdade de Engenharia Química da Unicamp e Doutorado em Engenharia Química pela UFSCar. Trabalhou no Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT) e em diferentes indústrias químicas. Atualmente é professor do departamento de Engenharia Química da UFSCar. contato: [email protected]

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