Sistemas. Bicos Automação Análise Técnica. Um guia para aperfeiçoar o desempenho dos injetores. Especificação, projeto, fabricação

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1 Bicos Automação Análise Técnica Sistemas Um guia para aperfeiçoar o desempenho dos injetores Especificação, projeto, fabricação

2 Injetores: Componentes críticos, mas frequentemente negligenciados No coração de qualquer aplicação de pulverização está o bico de pulverização. Frequentemente o menor componente em um sistema de pulverização, o bico foi criado para atingir um desempenho muito preciso. Mesmo os menores desvios no desempenho podem resultar em sérios problemas de qualidade de processo, período de inatividade não programado e milhares de reais em aumento de custos operacionais. Igualmente importante em um sistema de pulverização é o injetor (também conhecido por árvore ou lança de pulverização) que distribui o líquido e/ou gás para o bico de pulverização. Os injetores também devem atender normas precisas para garantir um ótimo desempenho. Os injetores, ainda, são frequentemente vistos como um meio para um fim - um simples cano ou dispositivo de distribuição de líquido. Considerações importantes sobre projeto e fabricação podem ser negligenciadas, resultando em problemas de desempenho e caras ineficiências. Deve-se evitar comprometer o desempenho de pulverização resultante do projeto do injetor. Para ajudar você a entender esses problemas, desenvolvemos este guia de referência para abordar considerações críticas sobre especificações, projeto e fabricação do injetor. Este guia é um resumo de nossos 75 anos de experiência em tecnologia de pulverização. Começando: Uma solução padrão ou personalizada? Operações relativamente simples podem com frequência usar um injetor padrão. Aplicações como condicionamento de gases, injeção de produtos químicos, injeção de fluido secundário, injeção de resfriamento de emergência e de suspensão de calcário, em geral requerem uma solução personalizada. Aqui está o motivo: Injetores usados nessas aplicações normalmente exigem projetos sofisticados. Integrar o injetor no espaço disponível pode ser complicado, e uma solução padrão, disponível em modelos predeterminados, pode não ser tão simples. São necessários materiais e revestimentos especiais para suportar altas temperaturas, ambientes erosivos e/ou corrosivos. Injetores isolados, com água ou vapor encamisado, não raro comprovam ser mais eficientes em aplicações de alta temperatura. Engenharia extrema e questões de segurança exigem conformidade com os códigos ASME, tais como B31.1, B31.3, e outros. Modelos retráteis e flexíveis são normalmente necessários para diminuir ou eliminar processos de interrupção e/ou tempo de manutenção. Na maioria das aplicações, bicos atomizados a gás ou hidráulicos padrão são usados em conjunto com injetores personalizados para atingir o desempenho de pulverização desejado. O projeto do injetor começa com a determinação do desempenho desejado do bico de pulverização O primeiro passo na especificação e projeto do injetor é identificar claramente os objetivos da pulverização. Sua aplicação requer: Tratamentos de lavagem de gases em ambientes cáusticos? Limpeza deixando quantidades específicas de fluxo de dupla fase a jusante? Cobertura excepcional para garantir reações químicas ótimas? Resfriamento com 100% de evaporação? Resfriamento com saturação adiabática? Injeção de inibidores de corrosão de alta pressão? Vapor de dessuperaquecimento a temperaturas exatas? Embora essas necessidades de pulverização sejam típicas, existem muitas outras. Comece determinando exatamente qual o desempenho necessário, assim você pode começar o processo de escolha do bico. Ou conte-nos sobre suas condições de operação e objetivos de pulverização. Podemos orientar você no processo de escolha do bico. 2

3 Considerações sobre a escolha do bico Existem muitos fatores que determinarão qual bico é adequado para sua aplicação. As informações a seguir abordam diversas considerações e fornecem diretrizes gerais. Contudo, você deve trabalhar em conjunto conosco para determinar como os bicos irão se comportar em seu ambiente de operação. Taxas de injeção: determine as taxas de fluxo de massa ou volumétricas necessárias. Viscosidade do fluido, temperatura do fluido e gravidade específica, tudo afeta o desempenho da pulverização. Veja abaixo. Resumo de pulverização Considerações do desempenho Ângulo e padrão de pulverização: Bicos atomizadores a gás e hidráulicos estão disponíveis em diversos padrões de pulverização que variam de 0 (jato sólido) a 180. Tenha em mente: O tamanho da gota aumenta conforme o ângulo de pulverização diminui. Fluxos de processo de alta pressão forçam ângulos de pulverização mais estreitos. Ângulos de pulverização mais largos podem ser resultantes de fluxos de processo mais baixos. Os ângulos de pulverização reais podem diferir significativamente dos dados publicados, dependendo do fluxo de processo. Acrescentar outro ponto para um bico adicional pode ser uma forma eficaz de se alcançar a cobertura necessária. A tabela abaixo resume os diversos fatores que podem afetar o desempenho de um bico de pulverização. Entretanto, como existem muitos tipos e tamanhos diferentes de bicos de pulverização, os efeitos podem variar dependendo das condições de operação. Características do bico Aumento na pressão de operação Aumento na gravidade específica Aumento na viscosidade Aumento na temperatura do líquido Aumento na tensão superficial Qualidade Padrão Melhora Piora Melhora Tamanho da gota Ângulo de pulverização quando diminui Capacidade do pulverizador Cone cheio/oco - aumenta Leque - diminui Depende do líquido pulverizado e bico utilizado Nenhum efeito Impacto Velocidade Desgaste Depende do líquido pulverizado e bico utilizado Nenhum efeito 3

4 Considerações adicionais sobre a escolha do bico Tipos de bico típicos Conteúdo sólido: determine o percentual de sólidos no líquido pulverizado. Se o conteúdo for alto: Considere o uso de bicos de passagem livre (MPF) para minimizar o entupimento. Considere o uso de bicos com estrutura anti incrustração para minimizar o acúmulo de material nos orifícios de saída e na ponta do bico. Considere o uso de bicos resistentes à erosão feitos de cerâmica ou aço endurecido. Tamanho da gota: Em muitos processos, o objetivo é 100% de evaporação, que requer controle preciso do tamanho da gota. Fatores críticos a considerar: Tamanho da gota se refere ao tamanho das gotas individuais no padrão de pulverização. Cada padrão de pulverização consiste de uma série de tamanhos de gota. Tal série é chamada de distribuição do tamanho de gotas. A distribuição do tamanho de gotas varia conforme o tipo de padrão de pulverização. As menores gotas são produzidas por bicos atomizadores a gás; as maiores são produzidas por bicos hidráulicos de jato cone cheio. As menores capacidades produzem gotas menores; pressões mais altas geram gotas menores. A distância que as gotas precisam viajar desde o ponto de injeção. Temperatura, densidade, viscosidade e velocidade do gás irão afetar a nuvem de pulverização. A terminologia do tamanho da gota pode ser confusa. É importante entender os valores de medida em uso e como os dados são coletados. Nosso manual técnico, Guia de referência de tecnologia de pulverização: entendendo o tamanho da gota, Boletim 459B, é amplamente usado como cartilha sobre este assunto e está disponível para solicitação/download em Pressão do vapor: Escolher o bico apropriado é crítico para evitar variação de fase indesejável. Uma vez que a escolha do bico de pulverização estiver concluída, o próximo passo é olhar os fatores físicos e ambientais na área onde o injetor será instalado. Pulverização jato leque (afilada) Atomização a gás e assistido por gás Cone cheio Cone oco (câmara de turbilhamento) Gota real Tamanhos Propriedades do líquido, capacidade do bico, pressão de pulverização e ângulo de pulverização afetam o tamanho da gota. Tamanho da gota 500 µm µm µm Uma polegada = µm Um milímetro = µm µm = micrômetros por tipo de padrão de pulverização a várias pressões e capacidades 10 psi (0,7 bar) 40 psi (2,8 bar) 100 psi (7 bar) Tipo de padrão de pulverização Capacidade gpm Capacidade l/min VMD micra Capacidade gpm Capacidade l/min VMD micra Capacidade gpm Capacidade l/min VMD micra Atomizador a gás 0,005 0,02 0,02 0, , , Pulverização fina 0,22 0, ,03 0,43 0, ,05 0,69 0, Cone oco 0, , , , , , Jato leque 0,05 5 0, , , , , Cone cheio 0, , , , , , Com base em amostras de bicos selecionados para mostrar a ampla variedade disponível de tamanhos de bico possíveis. 4

5 Especificação de injetor e considerações de projeto Considere o seguinte quando estabelecer suas necessidades: Qual o tamanho do duto, recipiente ou torre? Isso irá influenciar no número de bicos e sua localização. Existem curvas no duto? Cotovelos podem causar perfis de vazão secundários que têm um impacto negativo no desempenho. Qual a proximidade do equipamento a montante e a jusante? Pode haver problemas de processo e/ou danos se a nuvem de pulverização estiver muito próxima de outro equipamento. Quais são as condições de operação? As propriedades de líquido e gases afetam a distância da nuvem de pulverização. Temperatura e corrosividade causarão um impacto nos materiais de construção. Qual a composição do líquido sendo pulverizado? Isso irá afetar os materiais de construção. Qual a classe do serviço de fluído? Isso pode exigir que o injetor atenda a rigorosos requisitos de projeto para a segurança. A pulverização será contra ou a favor da corrente? Pulverizações a favor da corrente apresentam maior tempo de residência, podem produzir gotas menores e possibilitam o uso de um ângulo de pulverização mais amplo. Pulverizações contra a corrente podem resultar em maiores acúmulos de resíduos, vibração e tensão nos canos injetores, gotas maiores e umidade. Quais são as conexões necessárias? Soldada, em flange ou rosqueada? A posição ótima do injetor pode ser determinada antes da instalação? Se não, existe a opção de um desenho flexível para fácil adaptação. Com que frequência pode ser feita manutenção no injetor? Existem considerações especiais? Lanças retráteis podem eliminar ou minimizar processos de inatividade. Além disso, se não for viável a manutenção regular, é provável que sejam necessárias purga de ar e 100% de evaporação para reduzir o risco de formação de borra. Qual a vida útil que se deseja para o injetor antes da substituição? Isso pode afetar os materiais de construção e projeto. Qual é o cronograma de manutenção preventiva? Pode-se reduzir o peso do injetor e fazer acessórios para acelerar a transição. Existem muitas outras considerações que são específicas para o processo. Trabalhar conosco durante a fase de projeto irá ajudar a alcançar o melhor desempenho possível pelo menor custo possível. Dividir os injetores por zonas é uma forma eficaz de garantir o desempenho ótimo quando as condições de processo podem variar. Os injetores podem ser utilizados em certas áreas conforme necessário, dependendo do tempo de residência, vazão do gás e temperatura necessários. Múltiplas lanças equipadas com múltiplos bicos muitas vezes são necessárias para que se atinja uma boa cobertura em torres e dutos. Pulverização contra corrente (esquerda) e/ou perpendicular (acima) à corrente de gases pode ser vantajosa para garantir a reação do processo e/ ou absorção apropriada. 5

6 Injetor Comum Problemas de desempenho e como evitá-los Trabalhamos em projetos de injetores de empresas de engenharia e indústrias químicas/petroquímicas. Os problemas comuns enfrentados pelos clientes incluem: Paredes úmidas/ líquido não evaporado. Trinca do refratário. Reações químicas falhas. Reações imprevistas. Entupimento e acúmulo de resíduos. Fraco desempenho de processo, tempo de inatividade de produção não programado, danos no equipamento a jusante e aumento nos custos operacionais/tempo de manutenção podem resultar nesses problemas. O diagnóstico preciso da origem desses problemas e identificação da solução subsequente normalmente requer ferramentas e recursos altamente especializados. Entretanto, prevenir é a melhor forma de evitar que eles ocorram. Isso pode ser conseguido com uma análise cuidadosa durante a fase de projeto. Aqui estão algumas técnicas e ferramentas que usamos: Testar o desempenho da pulverização elimina as suposições Muitos dos problemas acima são causados por evaporação prematura ou incompleta. Se a gota evapora muito rápido, a reação do processo esperada pode não ocorrer ou ser comprometida e o equipamento a montante/a jusante pode ficar menos eficiente ou danificado. Se a gota não evapora rápido o suficiente, irá ocorrer umidade, pode resultar em vapor imprevisto e haver acúmulo de poeira no duto ou torre, e obstruir o fluxo de gás. A forma mais efetiva de determinar o tempo de residência necessário é conduzir estudos de caracterização de pulverização em um laboratório de pulverização totalmente equipado para simular as condições de operação do local onde ficará o injetor. Normalmente esses estudos incluem: Testes para determinar tamanho e distribuição da gota ótimos. Determinação da velocidade e densidade do gás e o impacto resultante no tamanho da gota. Avaliação da colocação do bico, tipo e ângulo do padrão de pulverização. 6

7 Um modelo alternativo de fluxo frio: A experiência certa e o software correto Em alguns casos, as condições de operação simuladas em um ambiente de laboratório e modelagem dos dados não são viáveis. É quando chamamos nossos engenheiros especializados em dados do tamanho da gota. Com o uso de Dinâmica de Fluidos Computacional (DFC) e funções de distribuição de gotas exclusivas, pode-se predizer com precisão o desempenho do injetor em processos industriais. Seção D Torre de condicionamento de gases Concentração de gotículas de pulverização em vários locais na torre Seção C Baixa Concentração Alta Concentração Seção B Conhecimento técnico em pulverização evita problemas Não há substituto para experiência e uma extensa linha de produtos quando se trata de evitar problemas. Nossos engenheiros de projetos químicos e mecânicos e de processos têm décadas de experiência em tecnologia de pulverização e preveem problemas potenciais precoces no processo de projeto. Aqui estão apenas algumas das estratégias que usamos para garantir um desempenho sem problemas. Você encontrará exemplos mais específicos nas páginas 10 e 11. Entupimento e acúmulo de resíduos: Análise das propriedades do líquido e uso de desenhos de bicos especiais anti incrustração. Seção A Manifold de pulverização Distribuições de fluxos secundários: Divida os injetores em zonas para manter os pulverizadores afastados de dispositivos de alteração de vazão. Recirculação Corrosão e erosão: Avalie o ponto de saturação de gás ácido e use materiais especiais de construção e revestimentos. Alta temperatura: Projetos de injetores de água ou de vapor encamisado, isolado. Condições de operação flutuante: Projetos de injetores flexíveis possibilitam fácil ajuste da posição do bico. Isolado Soluções densas ou espessas: Projetos de recirculação mantém uma temperatura consistente e minimizam o congelamento. 7

8 Como escolher o fornecedor certo Escolher o fornecedor certo de injetores pode ser a diferença entre um ótimo desempenho de pulverização e ineficiências caras de processos/ excessivos períodos de inatividade para manutenção Algumas empresas recorrem a recursos internos para projetos e fabricação de injetores. Outras se concentram nos custos e se voltam para pequenos fabricantes locais. Esses fornecedores não têm o necessário conhecimento em tecnologia de pulverização ou um histórico comprovado em projetos de injetores. Existe um considerável risco de problemas relacionados ao desempenho e questões de integração de bico de pulverização quando se confia em um desses tipos de fornecedores. Ao escolher um parceiro com significativo conhecimento técnico em projetos de injetores e bicos de pulverização, a probabilidade de um ótimo desempenho aumenta muito. E, se uma única empresa fornecer o bico e a lança, eliminam-se os problemas de integração enquanto você aproveita a conveniência de trabalhar com um único fornecedor. Outras considerações no processo de escolha do fornecedor incluem: Recursos internos de engenharia e projeto. Conformidade com o código ASME e capacidade de fabricação. Teste de desempenho de pulverização. Testes de materiais. Documentação completa. Administração eficiente de projeto. Uma solução única para bicos e injetores sob medida: 8

9 Porque a Spraying Systems Co. é altamente qualificada para projetos e fabrica injetores de pulverização sob medida Quando se trata de projetos de injetores, você não vai encontrar outra empresa com as mesmas credenciais. Temos uma combinação única de capacidades: Experiência e conhecimento técnico: Décadas de experiência concentrando-se apenas em tecnologia de pulverização. Dezenas de engenheiros especialistas. Pessoal qualificado nas normas ASME, Seção IV, e American Welding Society (AWS). Participação ativa no ILASS-Americas, o Instituto para atomização de líquidos e sistemas de pulverização. Engenheiros profissionais na equipe. Certificações e programas de qualidade: Certificação ISO e ISO Procedimentos de solda qualificados ASME. Registros de qualidade no local e qualificações de trabalhadores. Seção VIII do código B&PV ASME. Código de conformidade - fabricação: Código de recipiente de pressão e caldeira ASME. Código para tubulação de energia ASME B31.1. Código para tubulação de processo ASME B31.3. Soldagem para seção IX do código ASME B&PV. Testes ANSI, ASTM e mais: Ultrassônico. Radiográfico. Penetração de líquido. Dureza. Hidrostático. Teste de vazão e pulverização nos maiores laboratórios de pulverização do mundo. Exame de partícula magnética. Identificação positiva de material. Documentação e gerenciamento de projeto: Desenvolvimento de planos de projeto conforme necessário com tabelas com cronograma para projeto, produção, testes e entrega. Documentação necessária para seus registros, que incluem desenhos, documentos de rastreamento de material, relatórios de testes de material, procedimentos de solda, relatórios de teste/certificações de soldador, mapas de solda, registros de soldas, cupons e certificados. Interação com todos os departamentos apropriados - processos, mecânica, encanamento, solda e manutenção - para facilitar o sucesso do projeto. 9

10 Aqui está como ajudamos as empresas e como podemos fazer o mesmo por você Aplicação: Controle de NOx usando injeção de amônia aquosa Desafio: Operação de processo ininterrupta Solução: Dois injetores retráteis Desenvolvemos e fabricamos dois injetores retráteis idênticos para colocação permanente no fluxo do processo. Apenas um injetor será usado de cada vez. Quando o injetor em operação precisa passar por manutenção, o outro injetor é usado e o processo não é afetado. Aplicação: Injeção de produtos químicos em recipiente de vapor pressurizado Desafio: Atender rigorosos desafios de projeto e um cronograma de produção agressivo Solução: Injetor altamente projetado fabricado com ligas especiais O injetor foi fabricado conforme o código ASME B31.3 e rigoroso teste não destrutivo. O tempo de conclusão do projeto foi curto, mas exigiu atualizações quinzenais, pontos de espera, pontos de inspeção, inspeção de terceiros e um abrangente pacote de troca. Aplicação: Resfriamento evaporativo em correntes de gases de distribuição irregular Desafio: Solucionar problema de umidade em parede em torre de resfriamento sem trocar a geometria de entrada existente Solução: Operação de lanças distribuídas por zona Uma combinação de DFC e experiência com resfriamento distribuído por zonas levou ao zoneamento dos injetores. Os injetores na área oposta à entrada são usados somente nos casos em que é necessário resfriamento de emergência. 10

11 Aplicação: Controle de emissão Desafio: Reações químicas incompletas Solução: Injetores com diversos bicos desenvolvidos para oferecer cobertura uniforme O injetor, construído de alta liga de níquel, inclui quatro bicos atomizadores a gás padrão. O uso de bicos padrão permite fácil transição, assim bicos de alta capacidade são usados no verão para manter o ritmo com a crescente demanda e o aumento da temperatura ambiente. No inverno são usados bicos de capacidade menor para conservar energia. Aplicação: Vapor de dessuperaquecimento para reduzir a pressão e temperatura do equipamento a jusante Desafio: Uma limitação de porta e um único bico padrão não podiam atender os requisitos de desempenho Solução: Projeto personalizado de injetor de dessuperaquecedor com quatro bicos hidráulicos padrão Construção elevada, teste não destrutivo e uso de múltiplos bicos hidráulicos proporcionaram as altas taxas de vazão necessárias e o tamanho de gota preciso para dessuperaquecer o vapor. 11

12 Outras informações Esperamos que as informações fornecidas neste guia sejam úteis. Se você estiver interessado em saber mais sobre bicos de pulverização e injetores, as seguintes publicações estão disponíveis. Guia de referência de tecnologia de pulverização: Entendendo o tamanho da gota; Boletim 459B Um guia de 36 páginas examina a medida do tamanho da gota, instrumentos e análise/interpretação de dados. Boletim 459B Aperfeiçoe seu sistema de pulverização; Manual técnico 410 Um manual de 52 páginas explica como avaliar seu sistema de pulverização, descobrir e resolver problemas dispendiosos, melhorar a qualidade, reduzir o tempo de manutenção e mais. Guia de condicionamento e resfriamento de gás; Boletim 540 Um boletim de 12 páginas descreve como aperfeiçoar a eficiência e o desempenho em aplicações de condicionamento e de resfriamento de gases. Boletim 540 Bicos atomizadores a ar FloMax ; Boletim 487C Um boletim de 8 páginas explica como esses bicos de alta eficiência trabalham para proporcionar desempenho de pulverização preciso através do estreito controle do tamanho da gota. Melhore o processo e a qualidade do produto nos processos químicos através da tecnologia de pulverização; Boletim 568 Um boletim de 12 páginas fornece uma visão geral de como a tecnologia de pulverização é usada em uma ampla variedade de aplicações. Boletim 487C Produtos industriais de pulverização; Catálogo 70 Um catálogo de 400 páginas fornece informações detalhadas sobre nossa linha completa de produtos e acessórios de pulverização. ASME é marca comercial registrada da American Society of Mechanical Engineers (ASME, ASME International). ANSI é marca comercial registrada do American National Standards Institute. ASTM é marca comercial registrada da ASTM International. Catálogo 70 Estrada Particular Yae Massumoto, São Bernardo do Campo - SP Tel: (11) Fax: (11) Bicos Automação Análise Técnica Sistemas Boletim n. 579A Spraying Systems Co. 2010

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