TEQ141 Sistemas de Controle e Instrumentação

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1 TEQ141 Sistemas de Controle e Instrumentação 1 Válvulas de Controle: Dimensionamento e Desempenho de válvula Profª Ninoska Bojorge Departamento de Engenharia Química e de Petróleo UFF DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA Influenciado por: Cavitação, Flashing, Ruído, Corrosão, Incrustações 2

2 DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA Causas: cavitação, flashing, ruído, corrosão, incrustações 3 cavitação - fenômeno físico nos líquidos em movimento onde devido ao aumento de velocidade (por diminuir a seção da veia líquida), há uma grande baixa momentânea de pressão. Cavitação desprendimento violento de bolhas de vapor colapso das mesmas ondas de choque + projeção de partículas (líquidas ou sólidas) erosão das superfícies e furos ruídos intensos DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA A redução da cavitação pode ser feita de modos diversos: 4 Pela modificação do circuito hidráulico de forma a que a válvula não seja instalada numa zona em que a pressão possa ser muito baixa (se tal for possível). Colocando a jusante da válvula uma placa perfurada que introduza uma perda de carga, de modo a aumentar a contra pressão na válvula, reduzindo assim o seu Δp. Utilizando válvulas com multiqueda de pressão ou com vários orifícios. Utilizando materiais e revestimento das superfícies internas da válvula adequados

3 DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA 5 Causas: cavitação, flashing, ruído, corrosão, incrustações flashing - é devido à vaporização do líquido pela baixa de pressão. Difere da cavitação por não haver a seguir um aumento suficiente da pressão, passando assim o líquido ao estado gasoso e nele permanecendo. DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA 6

4 DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA 7 Causas: cavitação, flashing, ruído, corrosão, incrustações ruído - é devido à sobreposição de vários factores, os mais importantes são a cavitação e o flashing, com particular importância para a cavitação. Ruído aerodinâmico: introduzido por válvulas destinadas ao controle de vazão de gás Ruído hidrodinâmico: introduzido pela passagem de líquidos através das válvulas Legalmente não é permitido um valor de ruído superior a 80 dbm (O ruído deve ser medido a 1 m da superfície da tubagem, a 1 m a jusante da flange de saída da válvula) As suas consequências não são tão graves como as da cavitação. DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA Causas: cavitação, flashing, ruído, corrosão, incrustações Ruído aerodinâmico - O ruído aerodinâmico é a principal fonte de ruído numa Válvula de Controle 8 Causas: Vazão Relação entre a Pressão de Entrada e Pressão de Saída Geometria da Válvula Propriedades Físicas do Fluido OBS. IMPORTANTE: Gases e vapor dágua são as principais fontes de ruído aerodinâmico.

5 DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA 9 Causas: cavitação, flashing, ruído, corrosão, incrustações Ruído hidrodinâmico- Causa: associado a turbulência e a cavitação em líquidos o Intensidade: menor que 90dBA OBS IMPORTANTE: Eliminando a cavitação elimina-se também o ruído DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA 10 Causas: cavitação, flashing, ruído, corrosão, incrustações Ruído mecânico Instabilidade dos internos o o o Intensidade: menor que 90 dba Efeitos: provoca instabilidade, desgaste de gaxetas e guias, danos nos internos Solução: - Aumentar a rigidez (stiffness) do atuador OBS. IMPORTANTES: O atuador tipo pistão tem rigidez superior ao atuador tipo diafragma. O grau de rigidez do atuador tipo diafragma pode ser aumentado modificando a faixa da mola.

6 DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA 11 Causas: cavitação, flashing, ruído, corrosão, incrustações corrosão - ataque químico, por parte do fluido, aos constituintes de um equipamento, em particular duma válvula. o Nas válvulas a corrosão ataca o corpo, o obturador e até a própria sede. o A corrosão é um fenômeno químico, a cavitação é um fenômeno físico. DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA A corrosão provoca: 12 Um aumento da rugosidade no interior das paredes Um aumento da secção interna, degradando as características do escoamento Em casos extremos conduzirá à rotura das paredes da válvula e à sua inutilização Atenua-se: Adicionando ao fluido um produto neutralizante (se tal for possível) Selecionando adequadamente os materiais do revestimento interno da válvula, do obturador e da sede.

7 DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA 13 Causas: cavitação, flashing, ruído, corrosão, incrustações incrustações - depósitos de minerais sobre a superfície interna da válvula. Normalmente estes depósitos são de materiais calcários frequentes na água. As incrustações provocam: uma diminuição da secção interna, redução que pode ser elevada. um aumento da rugosidade das superfícies internas. DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA O conjunto destes dois fatores pode conduzir a perdas de carga elevadas, com a consequente degradação das características. 14 Atenua-se: adicionando ao fluido um produto anti-incrustação (se tal for possível) selecionando o material de revestimento interno da válvula efetuando uma manutenção corretiva com a frequência adequada.

8 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE 15 O dimensionamento da válvula de controle é uma tarefa bastante complexa, tanto que alguns fabricantes de válvulas criaram no inicio dispositivos tipo "régua de cálculo" que forneciam aos clientes para que pudessem escolher os valores de Cv que precisavam com relativa facilidade. DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE Fotografias de uma regra de dimensionamento de válvulas mostrados aqui como referência histórica: 16

9 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE Valores de Cv 17 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE Cálculo do Coeficiente de Vazão (C V ) A vazão de uma válvula é o volume de fluido que pode passar através dela em um determinado tempo. A maneira padronizada para especificar a vazão de uma válvula é através dos coeficientes Cv, o qual permite a seleção de válvulas por um método prático, dimensionando-as corretamente para cada caso em particular. A vazão efetiva de uma válvula depende de vários fatores, entre os quais a pressão absoluta na saída, temperatura e queda de pressão admitida. 18

10 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE Cálculo do Coeficiente de Vazão (C V ) A determinação do Cv é realizado sob condições padronizadas como, por exemplo, o nível constante de água em relação à válvula, distância e posição dos instrumentos e detalhes sobre a tomada de pressão. 19 Coeficiente foi adotado em 1962 pelo Fluid Controls Institute (FCI 62-1) com o objetivo de padronizar a expressão da capacidade de vazão de válvulas de controle. Em 1975 foi normalizado pelo ISA (ISA-S39.1), e em 1977 homologada pela ISA-S DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE Cálculo do Coeficiente de Vazão (C V ) 20 Dimensionar uma válvula de controle consiste em selecionar um diâmetro de válvula com C V e uma curva característica de vazão a partir do Cv calculado (requerido pelo processo) utilizando se basicamente as equações especificas para o tipo de fluido. Abertura da Válvula (%) = (Cv calculado / Cv selecionado) * f(curva característica de vazão) * 100 O Cv é definido como o número de galões por minuto de água à temperatura de 68ºF que passa através da válvula, considerando-se uma queda de pressão de 1 PSI.

11 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE Cálculo do Coeficiente de Vazão (C V ) 21 O Cv é definido como sendo o número de galões (USA) de água que passam pela válvula totalmente aberta em um minuto, à temperatura de 68 F, provocando uma queda de pressão de 1 psig. Vazão( gpm) Cv = P( psi) G Kv: Vazão de água à 20ºC, que passa em uma válvula aberta, expressa em m 3/ h, quando submetida a um diferencial de pressão de 1 Kgf/cm 2. Kv = 0,8547 Cv Cv = 1,1674 x Kv Kv = Vazão( m P ( kgf G 3 / h) / cm 2 ) DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE Cálculo do Coeficiente de Vazão (C V ) Obtido experimentalmente pelos fabricantes e listado em tabelas com os respectivos diâmetros nominais das válvulas. A equação básica de dimensionamento para líquidos, padronizada pelo Flow Controls Institute FCI, em 1962 é: 22 Atualmente, são utilizadas várias equações para cálculo do Cv, que levam em conta o estado físico do fluido e uma série de fatores não considerados na fórmula acima. Para selecionar-se uma válvula, deve-se inicialmente, calcular o Cv requerido, selecionando na tabela do fabricante um Cv nominal sempre maior que o calculado.

12 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE Cálculo do Coeficiente de Vazão (C V ) 23 Cv está relacionado diretamente ao tipo de válvula e a sua área de passagem e basicamente exprime a sua capacidade de vazão. Quanto maior for o Cv de uma válvula, maior a sua capacidade de vazão quando instalada em um processo. Desse modo, quando se diz que a válvula tem: Cv = 10 quando a válvula está totalmente aberta e com a pressão da entrada maior que a da saída em 1 PSI e a temperatura ambiente é de 68 ºF, sua abertura deixa passar uma vazão de 10 gpm. DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE As válvulas são dispositivos caros é necessário: 24 Assegurar que os dados do processo estejam corretos; Ao calcular não dimensionar de acordo com a tubulação; Colocar cones de redução, na maioria dos casos; Tomar cuidado com as dimensões ANSI; Válvula de controle não trabalhar habitualmente com aberturas > 70 %; Utilizar o software do fabricante de válvulas; Comparar cálculos de diversos fabricantes com o selecionado; Confirmar os resultados através de válvulas já em funcionamento.

13 25 TÉCNICAS DE DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULA MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE 1 - UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO Neste método utiliza-se o software de dimensionamento de válvulas que cada fabricante tem disponível. Uma vez familiarizado com o programa, o usuário deverá introduzir os dados do processo (tipo de fluido, pressão, temperatura, vazão máx, min, ΔP admissível, diâmetro nominal da tubagem) e indicar, entre os tipos de válvulas possíveis, qual o tipo de válvula pretendido (macho esférico, borboleta, segmento esférico, globo, etc.). O programa devolve o diâmetro nominal da válvula e todas as características da mesma (Kv ou Cv, vazão máxima, ganho instalado e ruído), alertando se houver cavitação, flashing ou ruído excessivo. 26

14 27 MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE 1 - UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO EXEMPLOS: 28 Firstvue: -ValSpeQ: Selector Lite 1.3 Emerson Electric Freeware HP BladeSystem Power Sizing Tool 4.8 Valve Hammer Editor 3.5 beta Pentair PRV 2 SIZE

15 MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE 1 - UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO 29 No Aspen/Hysys / UNISIM Há duas maneiras para adicionar uma válvula na simulação de processos: 1. Selecione o PFD Selecione Flowsheet Adicionar Operation command desde o menu. (ou pressione F12) Clicar no botão Piping Equipment. da lista de operaçoes unitária, selecione Valve. Clicar em Add. MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE 1 - UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO 30 No Hysys / UNISIM Selecione o PFD Selecione desde a barra de menu: Flowsheet Palette command Aparece o Object Palette. (ou tb pessionando F4) Double-click no icone de Valve

16 MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE 1 - UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO 31 Na janela de propriedade de válvulas MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE 1 - UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO 32 A opção Rating contêm os seguintes paginas: Sizing Nozzles Options

17 MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE 33 MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE 2 - UTILIZAÇÃO DE GRÁFICOS 34 Como alternativa mais trabalhosa, na ausência de software específico, poderão usar-se as fórmulas, ábacos e gráficos fornecidos pelos fabricantes. Estes métodos de cálculo baseiam-se em fórmulas, apresentadas a seguir, e nas características das válvulas de cada fabricante.

18 MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE 35 Dados: Líquido: Lixívia negra (ρ =1400 kg/m 3 ).. Vazão máx. 200 m 3 /h. Temperatura 160 ºC, pressão 500 kpa. Δ p máx.= 60 kpa, com a válvula aberta a 90º Válvula a utilizar: v. de macho esférico, flangeada a inserir em tubo DN150 MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE 2 - UTILIZAÇÃO DE GRÁFICOS - PROCEDIMENTO A partir da reta graduada em Δp traça-se uma linha que une o Δp =60 kpa (dado) com o ponto q =200 m 3 /h (dado) da reta das vazões. 2. Prolonga-se este segmento da linha até encontrar a reta FpCv, obtendo-se FpCv Avançando na horizontal, para a esquerda e entrando sobre as características inerentes das válvulas. Para-se na válvula DN125, por se encontrar aproximadamente a 60 % de abertura. 4. Para a válvula anterior será por uma equação auxiliar Fp=0.91. Da tabela do fabricante obtém-se Fp = Para o último valor Fp obtido tem-se Cv Para este valor de Cv a válvula DN125 trabalhará a 63 % de abertura, pelo que esta dimensão de válvula é a recomendada. É suficiente uma PN10.

19 DADOS NECESSÁRIOS PARA O DIMENSIONAMENTO Dimensionamento para Líquidos: 37 Fluido Pressão de Entrada* Pressão de Saída* Temperatura* Vazão mínima, normal e máxima Densidade Específica (SG) na temp. de operação Pressão Crítica (Pc) Pressão de Vapor (Pv) Viscosidade * Nas condições de vazão mínima, normal e máxima DADOS NECESSÁRIOS PARA O DIMENSIONAMENTO Dimensionamento para Gases: 38 Fluido Pressão de Entrada* Pressão de Saída* Temperatura* Vazão mínima, normal e máxima Pressão Critica Temperatura Crítica Densidade específica (SG) na temp. de operação ou Peso Molecular * Nas condições de vazão mínima, normal e máxima

20 DADOS NECESSÁRIOS PARA O DIMENSIONAMENTO UTILIZAÇÃO DE FÓRMULAS AUXILIARES : As informações necessárias para o dimensionamento de uma válvula de controle, podem ser divididas em três grupos: a) Dados quanto ao fluxo: Vazão (máxima, normal e mínima); Pressão à montante (P1) e à jusante (P2) para a vazão máxima, normal e mínima; e Temperatura do fluxo. 39 b) Dados quanto ao fluido: Identificação do fluido; Estado de fase do fluido (líquido ou gasoso); densidade. Peso específico ou peso molecular; Viscosidade; Pressão de vaporização DADOS NECESSÁRIOS PARA O DIMENSIONAMENTO UTILIZAÇÃO DE FÓRMULAS AUXILIARES : 40 c) Dados quanto à influência da tubulação: Diâmetro da tubulação de entrada e saída. A apresentação das equações para cálculo do coeficiente de vazão (Cv ) divide-se em dois grupos conforme o tipo de fluido: Fluidos incompressíveis ou Fluidos compressíveis

21 DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) ANSI/ISA S75.01 A vazão de um líquido newtoniano, pode ser calculada de acordo com a seguinte equação geral: 41 onde: P = Queda de pressão ou diferencial de pressão na válvula; G = Densidade temperatura de operação; Q = Vazão volumétrica do líquido; Cv = Coeficiente de vazão; Fp = Fator de geometria da tubulação adjacente; e FR = Fator do número de Reynolds na válvula. DINÂMINA DO FLUXO ATRAVÉS DA VÁLVULA Segundo o escoamento de um fluido incompressível que escoa através de uma válvula de controle, afirma-se que: 42 O fluido ao entrar no interior da válvula de controle passa por um processo de transformação de energia, o qual segue os princípios físicos da conservação da massa e da energia. Considerando que o fluido de processo é um líquido (fluido incompressível), podemos verificar que quando o mesmo passa através de uma restrição, a sua velocidade de escoamento aumenta.

22 DINÂMINA DO FLUXO ATRAVÉS DA VÁLVULA Esta energia adicional surgida durante a passagem do fluxo pela sede da válvula, deve-se à transformação da pressão estática do fluido, a qual diminui a medida em que a velocidade aumenta. 43 Após o escoamento do fluido pela sede, a velocidade retorna ao seu valor original, enquanto que a pressão estática recupera-se um pouco, porém mantendo-se a um valor inferior ao que apresentava antes na entrada da válvula. A esta diferença entre a pressão a montante (P1) e a pressão a jusante (P2), dá-se o nome de diferencial de pressão ou queda de pressão. DINÂMINA DO FLUXO ATRAVÉS DA VÁLVULA ESQUEMA DO COMPORTAMENTO DA PRESSAO E DA VELOCIDADE DE UM LÍQUIDO ESCOANDO ATRAVÉS DA VÁLVULA DE CONTROLE 44

23 DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) ANSI/ISA S N1 - Constantes numéricas o As constantes numéricas N, dependem das unidades utilizadas. Os valores de N, são dados em tabela, segundo o fabricante. Fp - Fator de geometria da tubulação adjacente A correção deve-se ao efeito dos cones de redução e/ou expansão, utilizados para a instalação da válvula no processo.. DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) ANSI/ISA S

24 DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) ANSI/ISA S75.01 Valores de Fp para válvulas instaladas entre cones iguais (de redução e expansão). 47 DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) ANSI/ISA S75.01 Fórmula para Fp: Esta equação permite calcular o fator Fp, para qualquer configuração dos redutores e expansores utilizados na instalação da válvula. 48 F L - Fator de recuperação de pressão O fator F L é influenciado principalmente pelo perfil de escoamento do fluido no interior do corpo da válvula. Este fator é determinado pelo fabricante em laboratórios específicos para ensaios hidrodinâmicos.

25 DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) ANSI/ISA S F L baixo: absorve pouca queda de pressão e apresenta uma alta recuperação de pressão. Ou seja a válvula irá desenvolver altas velocidades de escoamento e conseqüentemente grande capacidade de vazão. Exemplo: válvulas tipo borboleta, esfera e de disco excêntrico F L alto: poderá absorver grandes quedas de pressão com uma baixa recuperação de pressão, proporcionando assim uma menor capacidade de vazão. Exemplo: Globo convencional sede simples e sede dupla, globo gaiola, válvulas tipo baixo ruído, etc. DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) ANSI/ISA S75.01 Valores Típicos de FL, XT, KC e Fd. (Extraídos do Handbook of Control Valves ISA). 50

26 DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) ANSI/ISA S75.01 F F - Fator da Razão de Pressão Crítica do Líquido 51 Define-se como sendo a razão entre a pressão na vena contracta (Pvc) sob condições de fluxo crítico e a pressão do vapor do liquido (Pv) na temperatura de entrada Sendo Pc a pressão critica do líquido, obtido em tabelas especificas. DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) ANSI/ISA S75.01 F R - Fator do número de Reynolds na válvula 52

27 DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) ANSI/ISA S75.01 As fórmulas utilizadas no dimensionamento são baseadas em: 53 Líquidos sem cavitação nem flashing: Líquidos sem cavitação nem flashing: pv: tensão de vaporização do líquido à temperatura de entrada. pc: pressão crítica termodinâmica. Sendo Pc a pressão critica do líquido, obtido em tabelas especificas. DIMENSIONAMENTO PARA FLUIDOS COMPRESSÍVEIS (GASES) O gás é mais difícil de ser manipulado que o líquido, por ser compressível. As diferenças entre os fabricantes são encontradas nas equações de dimensionamento para fluidos compressíveis. Estas diferenças são devidas ao modo que se expressa ou se considera o fenômeno da vazão crítica. 54 A vazão crítica é a condição que existe quando a vazão não é mais função da raiz quadrada da diferença de pressão através da válvula, mas apenas função da pressão à montante. Este fenômeno ocorre quando o fluido atinge a velocidade do som na vena contracta. Assim que o gás atinge a velocidade do som, na vazão crítica, a variação na pressão à jusante não afeta a vazão, somente variação na pressão a montante afeta a vazão..

28 DIMENSIONAMENTO PARA FLUIDOS COMPRESSÍVEIS (GASES) 55 onde: w: vazão do fluído, kg/h. q : vazão do líquido, m 3 /h, medido a 1,013 bar e a 15 ºC. Fp: fator de geometria da tubulação, obtido como indicado atrás. kv: coeficiente de escoamento (Europeu) Y : coeficiente de expansão 56 Exemplo de Folha de Especificação

29 Exemplos de simples Dimensionamento de válvula Dimensionamento de válvula Para líquidos, válvulas são caracterizadas por seu fator Cv: Cv = Q max G P Nota: Unidades são importantes! Q max = vazão máxima através da válvula, gpm P = queda de pressão através da válvula, psi G = gravidade especifica do liquido.

30 exemplo de tabela de para uma válvula especial de um catálogo de válvula Table from Cv = Q max G P Nota: Unidades são importantes! Q max = vazão máxima através da válvula, gpm P = queda de pressão através da válvula, psi G = gravidade especifica do liquido. Exemplo 1 Dimensionamento de válvula considerar o problema dimensionamento da válvula de controle, em que uma válvula de esfera controla a taxa de fluxo de água a partir de um tanque de compensação para manter o nível de água constante em 25 pés acima da válvula. De acordo com os engenheiros de processo, a vazão máxima prevista para esta válvula é 470 GPM. Qual deve ser o Cvmáximo para esta válvula? Para começar, devemos saber a queda de pressão através da válvula esperado. Tanque Água Para a atmosfera P2 P1 Q = Cv G G Cv = 1 Q Cv = P PSI Cv = 238 gpm/psi 1/2

31 Exemplo 2 Dimensionamento de válvula Você deve projetar um sistema para carregar hidróxido de sódio a 50% em um tanque de aço carbono em sua planta. O hidróxido de sódio é considerado um material perigoso. Não é recomendado passar hidróxido de sódio a 50% com uma velocidades acima de 6ft/s na tubulação de aço carbono. A bomba de alimentação na planta gera uma vazão de até 250 gpm. A queda de pressão máxima recomendada pelas válvulas no sistema é de 3 psi. A gravidade específica da solução de hidróxido de sódio é 1,52. Especifique uma válvula de controle para este serviço. Q max =250 GPM G = 1.52 P=3 psi Cv = Q G P 250 1,52 3 max = = 178 Exemplo 2 cont. Você deve projetar um sistema para carregar hidróxido de sódio a 50% em um tanque de aço carbono em sua planta. O hidróxido de sódio é considerado um material perigoso. Não é recomendado passar hidróxido de sódio a 50% com uma velocidades acima de 6ft/s na tubulação de aço carbono. A bomba de alimentação na planta gera uma vazão de até 250 gpm. A queda de pressão máxima recomendada pelas válvulas no sistema é de 3 psi. A gravidade específica da solução de hidróxido de sódio é 1,52. Especifique uma válvula de controle para este serviço. Cv =178 Resultado: Válvula de 5 ou válvulas c/ um pouco mais de alcance de 6 Table from

32 Exemplo 2 cont. Você deve projetar um sistema para carregar hidróxido de sódio a 50% em um tanque de aço carbono em sua planta. O hidróxido de sódio é considerado um material perigoso. Não é recomendado passar hidróxido de sódio a 50% com uma velocidades acima de 6ft/s na tubulação de aço carbono. A bomba de alimentação na planta gera uma vazão de até 250 gpm. A queda de pressão máxima recomendada pelas válvulas no sistema é de 3 psi. A gravidade específica da solução de hidróxido de sódio é 1,52. Especifique uma válvula de controle para este serviço. Qual o diâmetro do tubo que corresponderia a um fluxo de 6ft/s? Qmax ft / s d = = =.344 ft = 4.1 πv π 6 ft / s 4 3 Qmax=A*v A=πr 2 = π *(d/2) 2 v=6 ft/s Qmax=250 gpm=0.557 ft 3 /s p lg Um tubo com um diâmetro de mais de 4,1 polegadas não deve ultrapassar o requisito 6ft/s especificação: válvula esfera de 5 Fluxo compressível As equações aqui mostradas serão dos fabricantes Masoneilan e Fisher Controls, para mostrar as diferenças em suas equações e métodos. Outros fabricantes Emerson, Foxboro, Honeywell. Valtek DeZurik etc

33 Masoneilan Para fluxo de gás ou vapor (ft 3 /h), nas condições padrão de 1 atm e 60 ºF p 3 Qs = 836CvC f 1 ( y 0,148 y ) GT Para fluxo mássico de gás w = 2,8CvC f p1 G ( y 0,148 y ) T Para fluxo mássico de vapor w s p 3 = 1,83 C 1 vc f ( y 0,148 y ) (1 + 0,0007T ) SH onde Qs= fluxo de gás, scfh (scfh = ft 3 /h, 14,7 psia e 60 F), G = gravidade específica do gás de em relação ao ar, calculada dividindo o PM do gás por 29, o peso molecular médio de ar, T = temperatura na entrada da válvula, ºR (=º F + 460), C, = fator crítico. O valor numérico para este fator varia entre 0,6 e 0,95. Figura C-l0.4 mostra que este fator para diferentes tipos de válvulas. p = pressão na entrada da válvula, psia w = fluxo de gás, lb/h T sh = graus de sobreaquecimento, ºF O termo `y` traduz os efeitos de compressibilidade do fluxo e é definido pela P v = P 1 P 2, queda de pressão através da válvula P 2 = pressão de saída da válvula, psia

34 Exemplo 3 Dimensione uma válvula de controle para regular o fluxo de vapor para uma coluna de destilação de refervedor com uma taxa de transferência de calor de 15 milhões de Btu/h. O fornecimento de vapor saturado é a 20 psig e a queda de pressão desejada é de 5 psi e 100% de excesso de capacidade. Das tabelas de vapor : calor latente de condensação Lc = 930 Btu / lb. 6 15x10 BTU / h w vapor = 16130lb / h 930BTU / lb P = 20 psig + 14,7 34, 7PSIa 1 = Assumindo uma válvula Masoneilan com C = 0.8, temos = 1,63 0,8 5 34,7 = 0,773 Exemplo 3 Dimensione uma válvula de controle para regular o fluxo de vapor para uma coluna de destilação de refervedor com uma taxa de transferência de calor de 15 milhões de Btu/h. O fornecimento de vapor saturado é a 20 psig e a queda de pressão desejada é de 5 psi e 100% de excesso de capacidade. 16,130 C v = = 450 1,83(0,8)(34,7)(0705) gpm psi Para 100% de excesso de capacidade, o coeficiente de válvula quando totalmente aberta é Cv max = 2Cv = 900 gpm psi A partir da fig. C-lO.la, um lo-in. Masoneilan válvula, com um coeficiente de 1000, é o menor da válvula com capacidade suficiente para este serviço.

35 Queda de Pressão na válvula, Pvalv P sis = P + P + P L1 valv L 2 Um bom projeto deverá responder bem ao longo de toda a faixa de condições, por isso é importante escolher a característica certa para cada sistema e o tamanho da válvula para a quantidade certa da queda de pressão. Exemplo 4 A figura abaixo mostra um processo para a transferência de um óleo a partir de um tanque de armazenamento para uma torre de separação. O reservatório opera à P atm, e a torre funciona a 25,9 Hg absoluta (12,7 psia). O fluxo nominal de óleo é de 700 gpm, e sua gravidade específica é de 0,94, e a sua pressão de vapor à temperatura do fluxo de 90 C é 13,85 psia. O tubo é aço comercial Schedule 40, e a eficiência da bomba é de 75%. Dimensione a válvula para controlar o fluxo de óleo. De correlações de fluxo de fluido, a queda de pressão de atrito na linha é de 6 psi. (12,7 psia)

36 Onde colocar a válvula? Pv=13,85 psia P Saída < Pcoluna Flashing do liquido na valvula (12,7 psia) A válvula nunca deve ser colocado na sucção da bomba, porque há a pressão é mais baixa e o flashing iria provocar cavitação da bomba. Assim, P saída é superior á Pvaporiz Pressão hidrostática = ρ g h = (62,4 lb/ft 3 )(0,94)(60 ft)/(144 in 2 /ft 2 ) = 24,4 psi. P saída válvula = 24,4 + 12,7 = 37,1 psia muito acima da pressão do vapor do óleo Não haverá flashing através a válvula. Analisando o efeito da Pvalv no custo de eletricidade gasta no processo, temos: Pvalv = 5 psi, ou aproximadamente o mesmo que a queda de fricção na linha. Custo de eletricidade : US $ O,O3/kW-h e considerando 8200 h/ano, de funcionamento da bomba. Custo anual: fator de conversão de unidades 700gal min ft 5lbf / in (144in 1kW.min 8200h $0,03 ( ) 3 = $500/ ano 7,48gal 0,75 ft 2 44,250 ft. lbf ano kw. h Vazão requerida Eficiência da bomba

37 Logo, o coeficiente máximo da válvula (totalmente aberta) para 100% de capacidade é. 0,94 gpm Cvmax = 2(700) = psi Logo, da tabela de catalogo de válvula Masoneilan (Fig. C-lO.la), Analogamente, comparativamente para outro Pvalv P = 2 psi Cv = 960 válvula de 10, custo anual: US$ 200/ano. P = 10 psi Cv = 429, válvula de 8, custo anual : US$ 1000/ano.

38 BIBLIOGRAFIA Smith & Corripio Cap 5. Principles and Practice of Automatic Process Control, 2 a ed, John Wiley & Sons, Inc. BARALLOBRE, Roberto. Manual de Treinamento - Válvulas de Controle, FLUID CONTROLS INSTITUTE Norma FCI 62.1 ISA Gustavo da Silva, Instrumentação Industrial, 2ª edição Vol I e Vol II, ESTSetúbal 2004 (ª) Guy Borden Jr, Control Valves (Editor ISA - Hans D. Baumann, CONTROL VALVE PRIMER Bill Fitzgerald, McGrawHill, CONTROL VALVES FOR THE CHEMICAL PROCESS INDUSTRIES, (