Recuperação de Vapores

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1 Recuperação de Vapores Paulo R. Bittar

2 RECUPERAÇÃO DE VAPORES DURANTE O CARREGAMENTO DE CAMINHÕES-TANQUES RESUMO Combustíveis voláteis como gasolina e etanol, e em menor grau o diesel, apresentam pressão de vapor elevada, o que implica dizer que a quantidade de vapor emitida durante as operações de transferência de produto são significativas. Durante o carregamento de um caminhão-tanque com gasolina, a perda frequentemente supera 0,1% da massa de combustível transferida. Capturar os vapores é tecnicamente simples, e uma vez capturado, os vapores podem ser ventilados, incinerados ou recuperados. A recuperação é a opção preferida, e em muitos casos o valor do produto recuperado pode pagar os gastos com a implantação do sistema de recuperação em um curto espaço de tempo - muitas vezes em menos de dois anos. Este artigo descreve as Unidades de Recuperação de Vapores (URV), que utilizam refrigeração para condensar os vapores de hidrocarbonetos. COMBUSTÍVEIS E SEUS VAPORES A pressão de vapor dos combustíveis é normalmente expressa como Pressão de Vapor Reid (RVP), medida em condições específicas e a 37,8 C, e é uma indicação da volatilidade do combustível.

3 Valores Típicos de RVP, para alguns combustíveis são mostrados na tabela 1 abaixo. Combustível RVP (kpa) RVP (bar) RVP (Psi) Gasolina ,4-0,6 6 9 Comb. de Aviação ,1-0,2 1 3 Diesel ,15-0,2 2 3 Querosene 1-4 0,01-0,04 0,1-0,5 Tabela 1 - RVP de combustíveis comuns. Pequenas variações na RVP são naturais e ocorrem em função das matérias-primas utilizadas na refinaria bem como por alterações nos processos. A RVP também é ajustada pelas Refinarias com o objetivo de controlar a ignição dos combustíveis, assim, nas gasolinas, a RVP é ajustada para ser mais alta durante o inverno, e mais baixa no verão. A Tabela 1 mostra que a gasolina é, de longe, o mais volátil dos combustíveis derivados de petróleo. Por ser muito volátil e com elevado volume de produção, a gasolina é a maior fonte de emissões de COV Compostos Orgânicos Voláteis, associada aos combustíveis. Este artigo se refere em particular à gasolina, embora a mesma tecnologia se aplique na recuperação de muitos outros vapores de hidrocarbonetos bem como de etanol. A Pressão de Vapor Real é ligeiramente diferente da RVP, principalmente em função da temperatura, como mostrado na Fig. 1. Como exemplo, com base nas leis dos gases ideais, à pressão atmosférica (101 kpa), o ar saturado com vapor de gasolina, mostrado na Figura 1, a 40 C, contém 55% de hidrocarbonetos, em volume.

4 Figura 1: Variação da pressão de vapor da gasolina em função da temperatura. CONCENTRAÇÃO DE VAPORES NOS RESPIROS DOS TANQUES Dentro de um tanque, o vapor imediatamente acima da superfície do líquido se apresentará saturado, todavia, na medida em que os vapores se distanciam da superfície do líquido, dentro do tanque, a mistura de ar e vapor estará ligeiramente abaixo da saturação. Por isso, a concentração do vapor ventilado a partir do topo de um tanque irá variar em função do volume de combustível presente nesse tanque. A concenttração será baixa quando o tanque estiver vazio e estará perto da saturação quando o tanque estiver cheio. A variação de concentração entre o início e o final do carregamento do tanque irá depender do tamanho e forma do tanque bem como estar o tanque limpo ou ter sido previamente usado. Depende também da densidade do vapor de hidrocarboneto em relação ao ar (ou outro vapor utilizado para inertização do tanque) e do método de carregamento aplicado (Botton Load, Top submerso ou Splash). A figura 2, abaixo, mostra uma curva típica.

5 Fig. 2 Variação da concentração de vapor na saída do tanque em diversos níveis de preenchimento do tanque. Curva superior tanque previamente utilizado com o mesmo produto. Curva inferior - tanque limpo. Para um tanque que tenha sido previamente utilizado no mesmo serviço e contenha vapor residual do enchimento prévio, como mostrado na curva superior da figura 2, a concentração média de saída varia de 50-60% da saturação, ou, no caso da gasolina, cerca de 25-35% em volume. GRANDES PERDAS DE VAPOR ENTRE A REFINARIA E OS POSTOS Existem três grandes cenários onde as perdas de vapor entre a refinaria e a distribuição da gasolina nos postos são maiores; Nos terminais, quando os caminhões-tanques estão sendo carregados (Fig. 3). Nos postos, quando os caminhões-tanques estão descarregando o combustível nos _ tanques subterrâneos (Fig. 4). Nos postos, durante o abastecimento dos veículos (Fig.5).

6 Nos três cenários apresentados, a mistura de gasolina e ar é deslocada do tanque à medida que o mesmo é preenchido. Nos três casos, as perdas irão variar com a temperatura, mas um valor médio para climas como o do Brasil é aproximadamente 0,5% do combustível transferido. Esta perda é distribuida em aproximadamente:

7 carregamento do caminhão-tanque no Terminal = 0,15% descarregamento do caminhão-tanque no posto = 0,15% enchimento dos tanques dos veículos nos postos = 0,20% Perda Total = 0,50%. CONTROLE DAS EMISSÕES DE VAPORES DURANTE O CARREGAMENTO Existem três formas de se lidar com os vapores emitidos em cada um dos processos citados, Liberar os vapores para a atmosfera ou para um flare; retornar os vapores para seus tanques de origem; Recuperar os vapores. Liberar os vapores diretamente para a atmosfera é, obviamente, ambientalmente indesejável, além do desperdício do combustível. Há também questões de saúde e segurança nas proximidades do local onde se liberam os vapores. Queimar os vapores em um flare reduz os problemas ambientais e de segurança, mas ainda perde-se o produto. Retornar o vapor gerado durante o descarregamento do caminhão-tanque é uma opção válida e frequentemente utilizada em países da Europa e Estados Unidos. Para tanto, basta conectar o vent do tanque subterrâneo com o caminhão tanque, como mostrado na Figura 4. Esse procedimento é simples, muito eficaz e de baixo custo quando os caminhões tanques e os postos estão equipados com os dispositivos adequados. Outra forma de se controlar as emissões é a aplicação da chamada fase II, nome dado nos Estados Unidos para o procedimento de retornar os vapores dos tanques dos veículos para os tanques subterrâneos dos postos. Esse tipo de controle não é amplamente utilizado devido às dificuldades técnicas para uma vedação eficaz dada a grande diversidade de bocais presentes nsos veículos.

8 Recuperar os vapores é outra forma de se controlar as emissões. Neste caso os vapores dos combustíveis são direcionados para uma URV Unidade de Recuperação de Vapores. TECNOLOGIAS PARA RECUPERAÇÃO DE VAPORES Existem quatro tipos principais de tecnologias para a recuperação de vapores comercialmente em uso atualmente: adsorção em carbono; absorção por solvente; separação por membrana; condensação por refrigeração. A diferença fundamental entre as várias tecnologias referem-se aos diferentes processos de separação da mistura hidrocarbonetos/ar. Diferem também em custos operacionais, manutenção e geração de resíduos. As três primeiras técnicas são amplamente abordadas em outras literaturas, e não serão aqui descritas. A condensação dos vapores por refrigeração é uma técnica antiga que está ressurgindo pela aplicação de novas tecnologias que superaram as antigas limitações dos primeiros sistemas.

9 RECUPERAÇÃO DOS COMPONENTES DA GASOLINA EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA A recuperação das substâncias que compõem a gasolina é função direta da temperatura. Como se pode observar na Figura 6 abaixo, a temperaturas próximas de 0 C, apenas os hidrocarbonetos mais pesados começam a se condensar, como por exemplo o nonano, o tolueno e o etilbenzeno. À medida que a temperatura baixa, os hidrocarbonetos mais leves tornam-se líquidos. A -35 C, quase todas as substâncias já estão condensadas, restando apenas os gases dissolvidos na mistura de hidrocarbonetos, caso do propano e do butano que se condensam somente a temperaturas bem mais baixas, todavia, na gasolina, estão presentes em concentrações muito baixas. O propano está presente em quantidades inferiores a 0,5%. Figura 6: Recuperação das diversas substâncias que compõem a gasolina em função da temperatura.

10 PROCESSO DE RECUPERAÇÃO DE VAPORES Um esquema simplificado do processo de recuperação de vapores por refrigeração é mostrado na Figura 7. Fig. 7: Esquema resumido do processo de condensação de vapores por refrigeração. A mistura de hidrocarbonetos e ar é resfriada em três etapas. Num primeiro momento, o resfriamento ocorre desde a temperatura ambiente para cerca de + 3 C. Nesta primeira fase, o vapor de água bem como a maior parte dos hidrocarbonetos pesados presentes na corrente gasosa são condensados. Nesta fase a recuperação varia entre 20-60% do total de hidrocarbonetos, dependendo das condições de entrada da corrente gasosa. Na segunda etapa, o vapor é resfiado até -30 C. Nesta segunda fase a recuperação típica gira em torno de 94-98%.

11 A terceira fase resfria os vapores para cerca de -80 C, e a recuperação total é tipicamente superior a 99%. A temperatura final do processo, após o terceiro estágio, determina a eficiência do sistema na recuperação dos vapores. A concentração final de hidrocarbonetos é definida em projeto e deve atender aos padrões de emissão exigidos pelos órgãos ambientais. Após a terceira fase, o ar frio e limpo retorna para o sistema com o objetivo de melhorar a eficiência da refrigeração e, antes de ser lançado para a atmosfera, é aquecido a +15 C. Os líquidos recuperados são drenados da unidade de recuperação para um separador, onde a pequena quantidade de água condensada é enviada por gravidade, para um tanque. Os hidrocarbonetos, já liquefeitos, são bombeados para um reservatório. À medida que o vapor e o líquido recuperado entram em contato com as superfícies do trocador de calor, o líquido limpo e não contaminado, é enviado diretamente de volta para as linhas de carregamento ou para um tanque de armazenamento. O combustível recuperado não precisa passar por reprocessamentos antes de ser comercializado. A maior parte do vapor de água presente na corrente gasosa condensa na primeira fase de resfriamento, todavia, uma pequena quantidade permanece na corrente e se condensa, formando gelo no segundo e terceiro estágios. É necessário remover todo o gelo formado. Assim, uma vez por dia, os condensadores são aquecidos pouco acima de 0 C até que todo o gelo acumulado derreta. O processo de degelo dura cerca de 30 minutos. A quantidade de água condensada é muito pequena. Considerando-se um processo com recuperação de gasolina numa vazão de 400 m3 / hora num clima de verão, a URV irá condensar cerca de 500 L / h de hidrocarboneto e de 3 a 6 L / hora de água. A água condensada irá conter menos de 0,1% de gasolina. Unidades de Recuperação de Vapores baseadas em refrigeração, recuperam os vapores emitidos convertendo-os a líquido, que pode facilmente ser quantificado para provar valor de recuperação. Outras tecnologias para recuperação de vapores

12 (carbono, membrana e solubilização em solvente) recuperam os hidrocarbonetos na forma de vapor que é então absorvido em outro líquido ou em uma torre de absorvedora. NOVAS TECNOLOGIAS APLICADAS ÀS URV POR REFRIGERAÇÃO As novas tecnologias incorporadas nas modernas Unidades de Recuperação de Vapores por refrigeração resultaram em maior confiabilidade, menor consumo de energia, operação mais simples e menor custo de manutenção em comparação a modelos anteriores. Os compressores são industriais, bastante confiáveis. O circuito de refrigeração é totalmente selado, eliminando a possibilidade do sistema ser contaminado. Os condensadores são normalmente refrigerados a ar, embora resfriamento a água também esteja disponível, se necessário. A manutenção desses sistemas resume-se à limpeza ocasional das aletas dos trocadores de calor. Os hidrocarbonetos condensados são excelentes solventes e promovem a limpeza contínua do sistema, principamente das superfícies dos trocadores de calor, mantendo-os em excelentes condições de uso. As antigas URVs não eram capazes de operar com vazões abaixo de 30% da vazão projetada, um problema para os terminais onde as vazões durante o dia, podem variar bastante, podendo ser totalmente interrompida em alguns períodos do dia, dependendo do número de carregamentos e de braços em operação. Com as novas tecnologias, válvulas eletrônicas, digitalmente controladas, equipam as modernas Unidades de Recuperação de Vapores, que podem operar com potência reduzida durantes condições de baixa vazão. Se a vazão for reduzida a zero, o sistema detecta e gerencia os controles da unidade sem qualquer problema. As válvulas de controle eletrônico, aqui mencionadas, são válvulas amplamente utilizadas indústria de refrigeração, adequadas ao uso com substâncias inflamáveis. A recuperação de energia a partir do ar frio e limpo, retornando ao sistema antes de ser lançado para a atmosfera, reduz o consumo de energia, que se situa em

13 aproximadamente 0,15 kwh por metro cúbico de vapor processado. Esse valor é médio, sendo um pouco mais alto no verão e mais baixo no inverno. ECONOMIA Em pequenos sistemas, com capacidade de carregamento inferior a 150 m3/h, e operando menos de 8 h/dia, a análise econômica vai mostrar um baixo retorno sobre o investimento, geralmente superior a 4 anos. No entanto, em sistemas maiores, com mais horas de funcionamento, por exemplo, com carregamento superior a 500 m3 / h, e que operem mais de 18 h/dia, o retorno sobre o investimento é alto e extremamente atraente. Um estudo recente em um terminal petroleiro no Oriente Médio, mostrou os seguintes números: Taxa de carregamento de 800 m3/h, operando 24 h/dia Carga diária de L Recuperação diária de L ou kg (recuperação de 99%) Valor anual de produto recuperado US $ (US $ 600/tonelada, 350 dias/ano) Custo operacional anual (energia + manutenção) = US $ Custo da URV Instalada = US $ Período de retorno 12,1 meses