CAIXA SEPARADORA ÁGUA/ÓLEO DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO Memória de Cálculo

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1 DISTR. QTDE/TIPO ÓRGÃO DISTRIBUIÇÃO AUTOMÁTICA DE CÓPIAS a COMPATIBILIDADE COM O GEDOC REV FEITO VISTO DATA APROV ALTERAÇÕES PROJ. DES. CONF. IPGC/AAR VISTO APROV. MERP DATA 16/02/2004 Companhia Energética de Minas Gerais CAIXA SEPARADORA ÁGUA/ÓLEO DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO Memória de Cálculo ER/SE-5258 Rev. a" FOLHA 1 / 15 A R Q

2 SUMÁRIO 1. OBJETIVO 2. FINALIDADE DO SISTEMA 3. DESCRIÇÃO DO SISTEMA 4. PREMISSAS DE CÁLCULO 5. CÁLCULOS 5.1 DADOS BÁSICOS 5.2 CÁLCULO DA VAZÃO DE ÓLEO 5.3 CÁLCULO DA VAZÃO DE ÁGUA 5.4 CÁLCULO DA VAZÃO DO SISTEMA SEPARADOR 5.5 CÁLCULO DO TANQUE SEPARADOR ÁGUA/ÓLEO 5.6 RESUMO DIMENSIONAL 5.7 DESENHO ESQUEMÁTICO 6. EXEMPLO 6.1 DADOS BÁSICOS 6.2 CÁLCULO DA VAZÃO DE ÓLEO 6.3 CÁLCULO DA VAZÃO DE ÁGUA 6.4 CÁLCULO DA VAZÃO DO SISTEMA SEPARADOR 6.5 CÁLCULO DO TANQUE SEPARADOR ÁGUA/ÓLEO 6.6 RESUMO DIMENSIONAL ER/SE / 15-

3 1. OBJETIVO Esta Memória de Cálculo tem o objetivo de dimensionar o Tanque Separador Água/Óleo Isolante para os equipamentos de grande volume de óleo instalados em Subestações da CEMIG. 2. FINALIDADE DO SISTEMA O sistema de separação tem por finalidade fazer a separação da água e do óleo isolante, derramado nas bacias de contenção existentes abaixo dos equipamentos, no caso de acidente, ou manutenção. 3. DESCRIÇÃO DO SISTEMA O óleo isolante derramado de um dos equipamentos será drenado para um tanque Separador de Água/Óleo Isolante. O tanque separador de água/óleo isolante será construído em concreto, com revestimento de material impermeável ao óleo. Terá capacidade suficiente para conter todo o volume de óleo do maior equipamento e capacidade para separar o óleo que vazar, misturado à água de chuva drenada e SPCI. 4. PREMISSAS DE CÁLCULO dados: Para o cálculo do Sistema Separador Água/Óleo Isolante foram considerados os seguintes Número de equipamentos Área total das bacias coletoras Volume de Óleo Isolante do maior equipamento Densidade do Óleo: 860 kg/m³ Tempo de Escoamento do Óleo do Transformador: 0,25 h (15 min) Índice Pluviométrico: 1. precipitação com duração de 5 min. e período de retorno de 10 anos 2. precipitação com duração de 24 h e período de retorno de 100 anos ER/SE / 15-

4 Para realização dos cálculos foram utilizadas as definições dos seguintes documentos e normas: API 421: Monographs on Refinery Environmental Control Management Of Water Discharge (Design and Operation of Oil-Water Separators) Critérios Básicos de Projeto para Resíduos de Óleo CEMIG Legislação: Deliberação Normativa Nº 010, de 16/12/1986 Qualidade das águas - Lançamento de Efluentes Política Interna da CEMIG Diretrizes para a Adequação Ambiental Para o cálculo final, a vazão total será considerada como a vazão de óleo somada com a vazão de água devido à chuva e ao SPCI. 5. CÁLCULOS 5.1. DADOS BÁSICOS Área total das bacias (A b ) 5.2. CÁLCULO DA VAZÃO DE ÓLEO Vazão Média de Óleo do equipamento: Q 1 = V ol / T e (l/s) Onde: Q 1 = Vazão média de óleo do equipamento V ol = Volume de óleo do equipamento maior equipamento T e = Tempo de Drenagem = 0,25 h = 900 s 5.3. CÁLCULO DA VAZÃO DE ÁGUA Vazão Água de Chuva Q c = I p1 x A b (l/s) Onde: I p1 = Precipitação com T p = 5 min e TR=10 anos (mm) ER/SE / 15-

5 T p = Duração da precipitação A b = Área total das bacias coletoras (m²) 5.4. CÁLCULO DA VAZÃO DO SISTEMA SEPARADOR a) Vazão Total do Sistema Separador A vazão total afluente para o Tanque Separador Água/ Óleo Isolante será: Q t = Q 1 + Q c Onde: Q t = Vazão Total Q 1 = Vazão de Óleo Q c = Vazão de Água de Chuva b) Diâmetro do Coletor de Drenagem Diâmetro calculado do Tubo de Esgotamento D = ((n x Q t )/(0,312 x (i) 1/2 )) 3/8 Onde: n = 0,013 para MBV Q t = Vazão de Água e Óleo i = Declividade = 1,0% = 0,01m/m O diâmetro interno do tubo será aquele com diâmetro comercial imediatamente superior ao definido pela fórmula acima CÁLCULO TANQUE SEPARADOR ÁGUA/ÓLEO a) Cálculo do Tanque Separador A água e o óleo terão as seguintes características: Viscosidade da Água a 30ºC (µ a ): Densidade da Água a 30ºC (ρ a ): 0,0008 poises 996 kg/m³ ER/SE / 15-

6 Densidade do Óleo (ρ o ): Diâmetro da Menor Partícula de Óleo a Ser Removida (d): 860 kg/m³ 0,015 cm b) Cálculo da Velocidade de Ascenção V o = (g / (18 x µ a )) x (ρ a ρ o ) x d² g = Gravidade c) Cálculo da Velocidade Horizontal A velocidade horizontal deverá ser : V h = 15 x V o e menor que 0,01524 m/s d) Cálculo da Seção Transversal do Tanque será: Q e = Q t A T = Q e / V h e menor que 14,4 m² B = (A T / 0,4) com Largura Máxima de 6,0 m h = 0,41 x B Onde: A T = Área Transversal B = Largura do Modulo de Separação h = Altura do vertedouro e) Cálculo do Comprimento da Caixa Separadora Nova velocidade de acordo com a largura e profundidade da caixa. V hc = Q e / B x h e menor que 0,01524 L CSP = F t x (V hc / V o ) x h ER/SE / 15-

7 F t = tabelado (Ref. API 421) Onde: F t = Fator de Turbulência e curto circuito V hc = Velocidade de Escoamento na Câmara Corrigido (m/s) V o = Velocidade ascensional do óleo (m/s) f) Cálculo do comprimento Mínimo da Câmara de Entrada t D = 60s = Tempo de detenção L CE = t D x V hc g) Cálculo da Seção de Transferência da Câmara de Entrada para a Câmara Separadora V CSP = V hc x 3 a = Q e / (V CSP x B) Onde: V CSP = Velocidade de Escoamento na Câmara de Entrada a = Altura do Flange de Passagem para a Câmara Separadora h) Cálculo do Comprimento da Caixa de Saída A caixa de saída deverá ter o mesmo comprimento da caixa de entrada. L CS = L CE i) Cálculo da Seção de Transferência da Câmara Separadora para a Câmara de Saída V SCS = V hc x 3,5 f = Q e / (V SCS x B) Onde: V SCS = Velocidade de Escoamento na Câmara de Saída f = Altura do Flange de Passagem para a Câmara de Saída e do Septo Interno ER/SE / 15-

8 j) Cálculo da Distância Mínima do Septo Interno à Câmara Separadora L SEPT = 20 x V CSP k) Cálculo do Vertedouro de Saída da Câmara de Saída Para Vertedouro Retangular de Parede Delgada y a = 3 2 (Qe / (1,838 x B)) y a = Altura de Liquido na Saída do Vertedouro l) Determinação da Altura do Tubo de Entrada C = a + (h f + y a ) / (ρ o / ρ a ) m) Cálculo da Altura de Água na Câmara de Separação em Regime de Escoamento à Vazão Máxima ρ a x g (h + y a ) = ρ o x g x ho + ρ a x g x h a h a = (ρ a x (h + y a ) - ρ o x h o )/ ρ a h a = (h + y a ) - δ x h o h o = V o / AH A H = B x (L + L SEPT ) Onde: h a = Altura de Água na Câmara de Separação h o = Altura de Óleo na Câmara de Separação ER/SE / 15-

9 n) Cálculo da Altura de Água na Câmara de Separação em Regime Estático h a = h - δ x h o h o = V ol / A H o) Verificação da Altura da Passagem de Água entre a Câmara de Entrada e a Câmara de Separação e entre a Câmara de Separação e a Câmara de Saída Para Regime de Vazão Máxima a < h a / 2 Para Regime Estático f < h a / 2 p) Cálculo da Altura total da caixa H t > C + D + 0,10 h a + h o + 0,10 10cm de folga q) Verificação do tempo de detenção t d = (L csp x h a x B)/ Q 1, horas Onde: Q 1,100 = Vazão para chuva com 1 dia de duração e período de retorno de 100 anos r) Comprimento total da caixa L t = L ce + L sept + L csp + L cs ER/SE / 15-

10 5.6. RESUMO DIMENSIONAL DA CAIXA SEPARADORA Resumo dimensional da caixa separadora Descrição Largura da caixa Altura do vertedouro Altura total da caixa Comprimento da câmara de entrada Comprimento da câmara de saída Distância do septo interno à câmara separadora Comprimento da câmara separadora Comprimento total da caixa Diâmetro do tubo de entrada Altura da geratriz inferior do tubo de entrada Passagem para câmara separadora Passagem para câmara de saída Símbolo B h Ht Lce Lcs Lsept Lcsp Lt e C a f 5.7. DESENHO ESQUEMÁTICO: ER/SE / 15-

11 6. EXEMPLO 6.1. DADOS BÁSICOS A b = 100 (m²) 6.2. CÁLCULO DA VAZÃO DE ÓLEO V ol = 17,9 (m³) Q 1 = 17,9 / 900 = 0,01989 (m³/s) 6.3. CÁLCULO DA VAZÃO DE ÁGUA I p1 = 21 (mm) T p = 300 (s) Q c = 21 x 100 / 300 / 1000 = 0,007 (m³/s) 6.4. CÁLCULO DA VAZÃO DO SISTEMA SEPARADOR a) Vazão Total do Sistema Separador Q t = 0, ,007 = 0,02689 (m³/s) b) Diâmetro do Coletor de Drenagem D = ((0,013 x 0,02689)/(0,312 x (0,01) 1/2 )) 3/8 = 0,186 m D adotado = 0,20 m ER/SE / 15-

12 6.5. CÁLCULO TANQUE SEPARADOR ÁGUA/ÓLEO a) Cálculo do Tanque Separador µ a = 0,0008 poises ρ a = 996 kg/m³ ρ o = 860 kg/m³ d = 0,00015 cm b) Cálculo da Velocidade de Ascenção V o = (9,8/(18 x 0,0008)) x ( ) x (0,00015) 2 = 0,00208 (m/s) c) Cálculo da Velocidade Horizontal V h = 15 x 0,00208 = 0,03127 (m/s) > 0,01524 (m/s) Assim: V h adotado = 0,01524 (m/s) d) Cálculo da Seção Transversal do Tanque será: Q e = 0,02689 (m/s) A T = 0,02689 / 0,01524 = 1,76 (m²) < 14,4 (m²) OK A T adotado = 2,00 (m²) B = (1,76 / 0,4) = 2,24 (m) < 6,0 (m) OK B adotado = 3,10 (m) h = 0,41 x 3,10 = 1,27 (m) ER/SE / 15-

13 e) Cálculo do Comprimento da Caixa Separadora V hc = 0,02689 / 3,10 x 1,27 = 0,00682 (m/s) < 0,01524 (m/s) OK F t = 1,53 L CSP = 1,53 x (0,00682 / 0,00208) x 1,27 = 6,37 (m) L CSP adotado = 7,10 (m) f) Cálculo do comprimento Mínimo da Câmara de Entrada t D = 60 (s) L CE = 60 x 0,00682 = 0,41 (m) L CE adotado = 0,50 (m) g) Cálculo da Seção de Transferência da Câmara de Entrada para a Câmara Separadora V CSP = 0,00682 x 3 = 0,02047 (m/s) a = 0,02689 / (0,02047 x 3,1) = 0,42 (m) a adotado = 0,30 (m) h) Cálculo do Comprimento da Caixa de Saída L CS = 0,50 (m) ER/SE / 15-

14 i) Cálculo da Seção de Transferência da Câmara Separadora para a Câmara de Saída V SCS = 0,00682 x 3,5 = 0,02389 (m/s) f = 0,02689 / (0,02389 x 3,10) = 0,36 (m) f adotado = 0,30 (m) j) Cálculo da Distância Mínima do Septo Interno à Câmara Separadora L SEPT = 20 x 0,02047 = 0,41 (m) L SEPT adotado = 0,50 (m) k) Cálculo do Vertedouro de Saída da Câmara de Saída y a = 3 2 (0,02689 / (1,838 x 3,10)) = 0,03 (m) l) Determinação da Altura do Tubo de Entrada C = 0,30 + (1,27 0,30 + 0,03) / (860 / 996) = 1,46 (m) C adotado = 1,46 (m) m) Cálculo da Altura de Água na Câmara de Separação em Regime de Escoamento à Vazão Máxima A H = 3,10 x (7,00 + 0,45) = 23,10 (m²) h o = 17,9 / 23,10 = 0,78 (m) h a = (1,27 + 0,02813) 860 / 1000 x 0,78 = 0,63 (m) n) Cálculo da Altura de Água na Câmara de Separação em Regime Estático h a = 1, / 1000 x 0,78 = 0,60 (m) ER/SE / 15-

15 o) Verificação da Altura da Passagem de Água entre a Câmara de Entrada e a Câmara de Separação e entre a Câmara de Separação e a Câmara de Saída a = 0,30 < 0,63 / 2 = 0,32 OK f = 0,30 < 0,60 / 2 = 0,30 OK p) Cálculo da Altura total da caixa H t > 0,63 + 0,78 + 0,10 = 1,51 (m) 1,46 + 0,20 + 0,10 = 1,76 (m) H t adotado = 1,76 (m) q) Verificação do tempo de detenção Q 1,100 = 160 x 100 / 24 / 1000 = 0,667 m 3 /h t d = (8,60 x 0,60 x 3,10) / 0,667 = 24 h 24 h OK r) Comprimento total da caixa L t = 0,50 + 0,50 + 7,10 + 0,50 = 8, RESUMO DIMENSIONAL DA CAIXA SEPARADORA Resumo dimensional da caixa separadora Descrição Símbolo Dimensão (m) Largura da caixa B 3,10 Altura do vertedouro h 1,27 Altura total da caixa Ht 1,76 Comprimento da câmara de entrada Lce 0,50 Comprimento da câmara de saída Lcs 0,50 Distância do septo interno à câmara separadora Lsept 0,50 Comprimento da câmara separadora Lcsp 7,10 Comprimento total da caixa Lt 8,60 Diâmetro do tubo de entrada e 0,20 Altura da geratriz inferior do tubo de entrada C 1,46 Passagem para câmara separadora a 0,30 Passagem para câmara de saída f 0, ER/SE / 15-