O uso da termografia como ferramenta de análise de processos Industriais

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1 O uso da termografia como ferramenta de análise de processos Industriais Dagoberto José dos Santos (UNIMEP) Rubens Gedraite (UNIMEP) Abstract: Este trabalho apresenta uma contribuição à análise de desempenho de equipamento da indústria de processos químicos, empregando a técnica da termografia, que é consolidada em outras áreas de atuação, como uma ferramenta de análise de problemas decorrentes do sub-resfriamento em condensador de topo de coluna de destilação tipicamente empregada na indústria química. Palavras Chaves: - termografia, análise de processos, condensadores, colunas de destilação 1 Introdução A inspeção termográfica é um ensaio não destrutivo cujo princípio de operação está baseado na visualização da radiação infravermelha emitida pelos objetos. A técnica permite, inclusive, o registro de imagens térmicas, denominada termogramas. Um termograma é o registro da imagem térmica produzida a partir da energia térmica emitida por um objeto. A técnica de termografia vem sendo utilizada em sistemas militares, astronomia, sensoriamento remoto, aplicações médicas, monitoramento de redes de alta, média, baixa tensão e equipamentos elétricos. Na siderurgia, no monitoramento de altos-fornos e dutos de gás, fornos rotativos, avaliação da espessura de refratário. Na petroquímica no monitoramento de fluxo de produto, válvulas de segurança, purgadores, níveis de tanques, refratários e isolamentos térmicos, fornos, reatores, trocadores de calor (associado à perda de calor), chaminés, dutos de gás, tanques e tubulações isoladas, inspeção interna em fornos de processo. Na indústria de papel e celulose, no controle de secagem de folha, medição de temperatura em máquinas rotativas. Na indústria vidreira, na inspeção de refratários, na medição de temperaturas no vidro, entre outras (Bruno A. Vertti, 1992). A aplicação da técnica de inspeção por termografia deve ser entendida como uma boa possibilidade de ganho em inspeção não tradicional, pois fornece informações complementares que podem definir ações de sucesso. Outros aspectos importantes que devem ser destacados são que além de ser um ensaio seguro, o mesmo pode ser realizado por um inspetor adequadamente treinado, podendo neste caso ser de alta produtividade. A segurança do ensaio reside no fato de que o mesmo não oferece riscos nem ao operador e tampouco ao processo inspecionado. (ASTM E 1316) O processo escolhido para o uso da técnica foi a operação de destilação a vácuo de um solvente, operação esta tipicamente encontrada na indústria química. A coluna de destilação recebe a corrente do processo a ser separada, que constitui a alimentação da mesma. Nos primeiros pratos, localizados na base do equipamento, é extraída uma pequena fração com elevada concentração de compostos mais "pesados" e nos últimos pratos, localizados no topo, é extraído o produto "leve" purificado. O vácuo é mantido com o emprego de ejetores acionados com vapor de água, e o aquecimento da coluna é realizado com vapor de água saturado de média pressão. A retirada do produto de topo é feita por gravidade e por bomba centrífuga, sendo que o mesmo 1

2 sofre condensação preliminar. Os condensadores usados nas colunas de destilação empregam água de resfriamento proveniente de torre de resfriamento atmosférica. A figura 1 ilustra o processo em estudo. Vácuo Ejetores Água de condensação Alimentação Coluna de Destilação Destilado Vapor Pesados Figura 1. Equipamento estudado no processo 2 Caracterização do problema Ao longo da vida útil do condensador da coluna de destilação em estudo era comum a ocorrência de avarias tais como: rompimentos dos tubos do condensador. A figura 2 apresenta uma vista parcial do "espelho" de um condensador tipicamente empregado pela indústria química. Nesta figura, pode-se perceber a existência de inúmeros tubos que são utilizados para conduzir água de resfriamento e em um dos passes nota-se que, praticamente a metade dos tubos foram isolados com o uso de cunhas devido aos mesmos terem apresentado vazamentos durante teste hidrostático. Figura 2. Espelho do condensador em estudo Com o uso contínuo, o condensador tende a apresentar problemas de fadiga no material dos tubos, decorrentes - em sua grande maioria - de variações de temperatura indesejadas no interior do mesmo. Este fato provoca a ruptura de alguns tubos, com a conseqüente contaminação do produto a ser separado com a água de resfriamento. Tal evento acarreta a parada do processo para o reparo do equipamento considerado, implicando em significativos prejuízos para a empresa, pois a indisponibilidade da instalação industrial, aliada à necessidade de reprocessamento dos produtos que não atendem às especificações técnicas exigidas, implica em gastos adicionais de energia. Durante a operação da coluna de destilação e dependendo das condições operacionais utilizadas, notava-se a ocorrência de variações na perda de carga da mesma, que é medida com o emprego de um transmissor de pressão diferencial montado entre a base e o topo da coluna e, também, na concentração de TOC (Carbono Orgânico Total), monitorado na corrente de água dos ejetores. A dúvida da equipe de profissionais envolvidos no estudo do problema era como proceder para identificar as causas destas variações. A causa poderia estar associada a um ou mais dos seguintes fatores: (i)- variação da vazão de alimentação da coluna, (ii)- variação da vazão de produto "condensado" retirada de topo da coluna, (iii)- à limitação da capacidade de condensação do condensador de topo, (iv)- ao arraste de frações "leves" pela corrente de alimentação, (v)- à deficiência de operação dos purgadores instalados na coluna, e/ou a (vi)- variações no rendimento dos 2

3 ejetores, dentre outros fatores. Adicionalmente, foi observado que, associado à variação da perda de carga na coluna, existia uma variação no perfil de temperaturas da mesma. (Dagoberto, 2006) Como existiam várias causas possíveis para os problemas anteriormente citados, a equipe envolvida na análise do problema decidiu proceder a algumas verificações, a saber: (i)- foi feita a verificação na variação de nível da coluna, relacionada com a retirada dos compostos "leves", tendo sido constatado que a variação da coluna de retirada de leves era pouco significativa; (ii)- as temperaturas de entrada e saída de água, bem como a temperatura de respiro da coluna operavam dentro do esperado; (iii)- foi realizado o controle da composição química da corrente de alimentação, não tendo sido identificado o arraste de produtos "leves" pela mesma; e (iv)- complementarmente, tanto os purgadores como os ejetores não apresentavam nenhum sinal de mau funcionamento. Diante das avaliações preliminarmente realizadas, a equipe de profissionais considerou a hipótese de que as partidas e as paradas da unidade industrial pudessem ser as geradoras da fadiga que levavam os tubos do condensador a trincarem. Ao ser desenvolvido um trabalho de redução de TOC na instalação industrial, passou-se a monitorar as correntes de processo com maior freqüência e foi constatado que havia variações significativas de TOC nas amostras da corrente de efluentes dos ejetores da coluna de destilação a vácuo, quando a marcha da unidade era alterada, em pequenos intervalos de tempo. A equipe de profissionais estava diante de um novo desafio. Como reproduzir as condições em que os valores de TOC se apresentavam baixos? Quais seriam as causas destas variações? Lembrou-se do problema que ocorria com as trincas dos tubos do condensador da coluna e, deste modo, passou-se a buscar causas que pudessem estar associados aos dois eventos. As determinações de TOC na corrente de efluentes dos ejetores da coluna sugeriam que as causas, não identificadas, estavam ligadas à capacidade de condensação quando os regimes de operação estavam elevados e a causas cíclicas e não identificadas, quando se trabalhava com marcha de aproximadamente 35 t/dia, pois os valores variavam e se repetiam dentro de um intervalo definido. Deste modo, foi possível associar os efeitos, porém, não se tinha conseguido ainda identificar a causa. Na busca de identificar a causa dos desvios, passou-se a monitorar o funcionamento do condensador e, ao tato, foi identificado que havia regiões frias na parte inferior do casco do mesmo, algo bastante incomum para condensadores. Tendo em vista o uso da termografia para monitoramento de sistemas elétricos, inspeções de fornos e caldeiras, entre outros, decidiu-se experimentar a técnica na análise do processo em questão, pois ela permitia, de uma maneira bastante simplificada, avaliar o perfil qualitativo da distribuição do calor ao longo do condensador. 3 Resultados obtidos Com base em ensaios metalográficos, já havia sido constatado que as trincas eram causadas por fadiga do material de construção dos tubos do condensador. A figura 3 apresenta a microscopia eletrônica de varredura (MEV) dos tubos avariados. Na foto são evidenciadas estrias, que são características do processo de fadiga. Figura 3. Microscopia eletrônica de varredura do material dos tubos 3

4 A figura 4 apresenta uma imagem termográfica do referido condensador quando o mesmo estava operando com uma carga de aproximadamente 40 toneladas/dia de extração de produto destilado. Nesta figura, o termograma ilustra a parte superior do casco do condensador em estudo. Figura 4. Termograma em profundidade, vista superior O termograma permitiu verificar, de uma maneira prática, que o condensador não operava conforme o esperado. As regiões de coloração esverdeadas ou amareladas nos termogramas indicam que estava havendo um sub-resfriamento do líquido nestas regiões. Este sub-resfriamento indica que está ocorrendo o acúmulo de líquido no condensador que por sua vez provoca a perda de eficiência do condensador por redução de área de troca disponível para condensação dos vapores que o condensador recebe do topo da coluna de destilação em estudo. 4 Discussão dos resultados obtidos Nas diversas ampliações que ocorreram na instalação industrial estudada, não se levou em consideração à capacidade de escoamento do produto fabricado que o condensador permitia enviar para a coluna. A tubulação estava dimensionada para permitir que a vazão de projeto fosse alcançada; porém, a diferença de altura entre o condensador e o ponto de retorno de condensado era menor do que o requerido. Este fato, dependendo da condição de carga do processo, acarretava os constantes afogamentos e alívios de nível do condensador, que eram a causa principal das variações cíclicas de temperatura no mesmo e que por sua vez era a causa da fadiga térmica dos tubos que apresentavam trincas e das variações de TOC. Adicionalmente, ele também era responsável pela operação constante do condensador com nível de líquido o que implicava na elevação no TOC em operações em condições de carga elevadas. A elevação de TOC constituía em uma das principais limitações para a elevação da capacidade de produção da instalação estudada. É importante ressaltar o fato de que com o sub-resfriamento do líquido condensado, a coluna necessitava de uma carga de vapor maior que o disponível. A figura 5 apresenta o detalhe das alterações realizadas no layout do refluxo que passou a retornar em um dos últimos pratos da coluna. Com escoamento do condensado sem o sub-resfriamento e liberação da área de troca do condensador, a condição de carga da unidade, antes limitada a 45 t/dia, com um TOC de mg/l passou a ser de 59 t/dia com um TOC de 180 mg/l.. O aumento na capacidade de produção da unidade industrial estudada foi da ordem de 30% com o mesmo consumo de utilidades e uma redução na carga de TOC de aproximadamente % 4

5 Vácuo Ejetores Água de condensação Alimentação Coluna de Destilação Destilado Vapor Pesados Figura 5. Detalhe do layout da modificação da tubulação de refluxo da coluna Seguem termogramas do condensador, com o circuito de refluxo modificado, operando com a coluna a uma marcha de 59 tons/dia. A figura 6 apresenta o termograma da entrada de vapores e casco do condensador em estudo. Figura 6. Termograma, perfil de temperatura ao longo do condensador. 6 Conclusões e recomendações Esta técnica de resposta de imagem tem bom desempenho em diversas aplicações tradicionais, provando ser uma ferramenta confiável e útil para subsídio em tomada de decisões. Ela se revelou adequada para a avaliação do desempenho e dos modos de falha de condensadores tipicamente utilizados na indústria de processos químicos. Com base na análise realizada, foi recomendada a substituição dos tubos avariados do condensador em estudo. Recomendamos a elevação do condensador de tal forma a permitir que o retorno do condensado seja realizado no todo da coluna, conforme projeto original. Com esta ação haveria a possibilidade de aumento de carga na coluna Estender a prática de inspeções termográficas aos condensadores das outras unidades da empresa para identificar a capacidade de troca térmica dos condensadores, visando a operação e ampliação das instalações, a eficiência da troca térmica dos condensadores, verificando as diferenças de temperatura entre entra, passes e saída de água de refrigeração, a adequação do layout, as temperaturas de entrada de vapores, saídas de condensado e de gases, entre outras. 5

6 7 Bibliografia KERN, Donald Q. Processos de transmissão de calor. Rio de Janeiro: Ed. Guanabara Dois, CHILDS, Peter R. N. Practical temperature measurement. London: Ed. Butterworth Heinemann, WELTY, James R. Heat Transfer. USA: Ed. John Wiley & Sons, Inc., CAREY, V.P. Liquid-vapor phase-change phenomena: an introduction to the termophysics of vaporization and condensation process in heat transfer equipment. USA: Ed. Edwards Brothers, Inc., VERTTI, Bruno A. Termografia: princípios aplicações e qualidade. São Paulo: ICON Tecnologia e Serviços LTDA. ASTM E 1316: Standard Terminology for Nondestructive Examination - item J - Infrared Examination. 6