Contaminante 3: Água (parte 3)
Estudo das etapas da Compressão ao Secador de Ar por Adsorção
Nosso objetivo neste post é estudar as etapas desde a admissão do ar pelo compressor até após o tratamento final usando um secador de ar por adsorção.
Quais são as etapas da Compressão do Ar Comprimido
Abaixo temos a simulação de cada etapa da Compressão ao Tratamento do Ar Comprimido.
Veja na tabela qual é a relação entre o Ponto de Orvalho e Vapor de Água
Na tabela abaixo podemos entender como acontece a condensação de água, conforme vai caindo a temperatura do ar comprimido, neste exemplo @7 barg de pressão.
Note que, para cada temperatura, o ar @7 barg de pressão, pode segurar na forma de vapor, uma quantidade de vapor de água em g / m³ de ar @20ºC; 0 barg. Conforme vai diminuindo esta temperatura, a quantidade de vapor que o ar comprimido pode segurar em suspensão (na forma de vapor) é menor. A diferença virou líquido, condensou!!! A esta temperatura se dá o nome de ponto de orvalho.
Ponto de orvalho (PO) é a temperatura na qual a água inicia a condensação quando resfriada a pressão constante. O PO pode ser referido a pressão de operação ou a pressão atmosférica.
Umidade Relativa e a Temperatura de Ponto de Orvalho
Para entendermos, vamos ver um exemplo prático do nosso dia a dia: quando checamos na meteorologia o clima, recebemos uma informação da umidade relativa daquele instante em determinado lugar que está a uma pressão constante.
Se esta informação for por exemplo 94% de umidade relativa, com certeza levaremos o guarda-chuva, por que temos certeza que poderá chover, certo? A chuva significa 100% de umidade relativa e, neste instante, a temperatura em que a primeira gota de chuva cair (condensar – sair da forma de vapor para líquido) é o ponto de orvalho.
Todas as vezes que a umidade relativa é de 100% temos uma temperatura de ponto de orvalho, porque teremos o início da condensação.
● PRIMEIRA ETAPA: Admissão
Nesta imagem representamos a etapa inicial do ar sendo admitido pelo compressor
Temos a seguinte condição a ser estudada:
Pela taxa de compressão, precisaremos de 8 unidades de m³ de ar atmosférico para fabricar 1 m³ de ar pressurizado. Em nosso exemplo, o dia está a 35ºC com 70% de umidade relativa, na pressão atmosférica, portanto lá em nossa tabela a @35ºC temos 38,7675 g/m³ de vapor de água.
38,7675 g/m³ x 70% x 8 m³ = 217 g
Considerando 70% de umidade relativa e os 8 m³ de ar que precisaremos teremos 217g de vapor de água. Note que o Ponto de orvalho está em 28ºC, O que significa que quando este ambiente chegar a 28ºC a umidade relativa vai estar em 100%, e com isso inicia-se a condensação (chuva).
217 g / 8 m³ = 27,1373 g/m³
De acordo com a tabela, interpolando temos:
- 25ºC ………………..22,5850 g/m³
- 28ºC ………………27,1373 g/m³
- 30ºC ………………..29,7591 g/m³
● SEGUNDA ETAPA: Compressão
Nesta etapa representamos o momento em que o ar foi admitido e comprimido pelo compressor
Temos a seguinte condição a ser estudada:
No momento da compressão existe um aumento da pressão e consequentemente da temperatura, porque a compressão gera calor. Então a pressão subiu de Patm para 7 bar e a temperatura de 35ºC para 100ºC.
A 100ºC o ar comprimido pode segurar 73,5218 g/m³ @7 barg de vapor de água em suspensão, conforme nossa tabela.
73,5218 g/m³ x 8 m³ = 588 g
Considerando que temos 8m³ de ar, teremos 588g de vapor de água neste 1 m³ de ar @7bar.
217 g / 588 g = 37% UR
Pela razão do conceito de umidade relativa teremos 217g é o que temos na mistura/ 588g é o que temos na saturação, resultando em 37% de umidade relativa.
217 g / 8m³ = 27,125 g/m³
Então estamos distantes da condensação, com isso veja que o ponto de orvalho é de aproximadamente 73ºC. De acordo com a tabela, interpolando temos:
- 70ºC ………………..24,1126 g/m³
- 73ºC ………………27,6572 g/m³
- 80ºC ………………..36,3097 g/m³
● TERCEIRA ETAPA: após Resfriador
Agora vamos ver o que vai acontecer após o ar passar pelo resfriador interno (Intercooler) ou externo (after cooler) ao compressor
Sendo que os resfriadores, podem ser com refrigeração a ar ou a água.
- Quando são refrigerados a ar, normalmente entregam o ar comprimido @ temperatura do ar ambiente +10C, na média.
- Quando são refrigerados a água, normalmente entregam o ar comprimido @ temperatura da água +10C, dependendo da eficiência do resfriador.
Após o resfriador, teremos:
Uma queda de temperatura de 100ºC para 45ºC, e de acordo com a tabela, interpolando temos:
- 40ºC ……………….. 6,2549 g/m³
- 45ºC ……………… 8,1835 g/m³
- 50ºC ……………….. 10,1321 g/m³
Lá na nossa tabela @45ºC teremos 8,1835g/m³ de vapor de água, que o ar consegue segurar em suspensão (forma de vapor) x 8 m³ que foi o que pegamos do ar Atmosférico para fazer 1 m³ de ar pressurizado, temos que nesta condição apenas admite-se 66g de vapor de água.
8,1835 g/m³ x 8 m³ = 66 g
Porém tínhamos 217g, que não saiu do sistema, ainda está lá…só que…
217g – 66g = 151g
…que com a queda de temperatura virou líquido, condensou, e deve ser conduzida através de um separador de condensados e um dreno eficiente, para fora do sistema. Note que como estamos falando de vapor de água e água líquida, vamos pular os desenhos dos filtros coalescentes, que foram estudados quando falamos de óleo e partículas(vide nossos posts o particulado e óleo).
Utilizando o Secador por Refrigeração a melhor condição de Umidade Relativa que teremos é de 15,4% – veja nosso post sobre o resfriamento e reaquecimento do ar comprimido dentro do secador por refrigeração.
Como podemos obter ar comprimido com ponto de orvalho negativo?
Contudo, existem sistemas que esta umidade relativa de 15,4% ou um residual de vapor de água de 6g, pode ainda causar danos e nestes casos, precisamos de um ponto de orvalho negativo.
Como por refrigeração isso já não é mais possível, por que a água congelaria, inviabilizando a passagem do ar comprimido, buscamos uma maneira de baixar o ponto de orvalho através de processo físico-químico.
Desta forma, lançamos mão de um material adsorvente, que tem poros na casa de 13 angstrons, que é o tamanho da molécula de água. Praticamente fazemos com que o ar passe por um leito deste material, que tem a propriedade de segurar nestes poros as moléculas de água. A este processo em que a água é retida na superfície de material, damos o nome de adsorção.
● QUARTA ETAPA: com Secador De Ar Por Adsorção
O que é adsorção: é o processo em que o gás é retido na superfície porosa de um material sólido.
Este tipo de secador, por ser instalado para uma sala de compressores que abastece uma fábrica, como também em algum ponto de uso, mais específico, que sofre com este residual de vapor de água, que ainda sobra do secador por refrigeração. Vejamos o exemplo abaixo:
Este ar saiu lá do nosso estudo do resfriador, @7barg; 45ºC e vai passar diretamente por este secador por adsorção. Neste momento, a temperatura se mantém a mesma da entrada e o ponto de orvalho baixa para -40ºC.
Na nossa tabela, @-40ºC temos 0,0147g/m3 de vapor de água, que o ar pode segurar em suspenção @7barg. Como usamos 8m3 de ar atmosférico para fazer 1m3 de ar pressurizado temos:
0,0147 g/m³ x 8 m³ = 0,12 g
De acordo com a tabela, interpolando temos:
- 40ºC ……………….. 6,2549 g/m³
- 45ºC ……………… 8,1935 g/m³
- 50ºC ……………….. 10,1321 g/m³
Quando estamos @ 45ºC o ar pode segurar em suspensão 8,1935 g/m3 de vapor de água.
Contudo:
8,1935 g/m³ x 8 m³ = 66 g
Portanto:
0,12 g / 66 g x 100% = 0,18% UR
Existem secadores que chegam até -70ºC de ponto de orvalho, valor muito parecido com o ponto de orvalho do nitrogênio. Algumas aplicações podem até substituir o N2 por ar comprimido. Estes secadores são normalmente mais caros que o secador por refrigeração para a mesma vazão, portanto seu uso deve ser criteriosamente analisado.
Como funciona o Secador de ar por Adsorção
Os secadores por adsorção com regeneração a frio possuem colunas que se alternam na adsorção e regeneração, seguindo os seguintes processos:
Troca de colunas
COLUNA A) Fase de Adsorção
- A.1. Ar comprimido, já tratado com filtros coalescentes, que eliminam óleo e particulado, entra na coluna A que possui o material adsorvente;
- A.2. O processo de adsorção começa a ocorrer na parte inferior da coluna até a parte superior;
- A.3. As moléculas de vapor de água se ligam à superfície do material adsorvente;
- A.4. O ar comprimido seco flui através da válvula de saída para um filtro de particulado, que retém as partículas que podem se desprender do leito de material adsorvente. Parte desse ar comprimido seco e despressurizado é conduzido para a coluna B para regeneração (ar de purga).
COLUNA B) Fase de Regeneração
- B.1. Acontece em paralelo à fase de adsorção na outra coluna do secador;
- B.2. A expansão do ar de purga resulta em um ar comprimido extremamente seco;
- B.3. O fluxo de ar comprimido seco purgado remove a água do material adsorvente desta coluna;
- B.4. A umidade é purgada para a atmosfera através da válvula de purga e silenciador.
TROCA DE COLUNAS
- Começa após a fase de regeneração;
- A pressurização ocorre após o fechamento da válvula de purga;
- Após a pressurização, alterna-se o fluxo de ar comprimido da coluna de adsorção para a coluna regenerada. O ar de purga é desviado para a outra coluna;
- Este processo é controlado eletronicamente através de ciclos pré-fixados que podem se tornar variáveis e energeticamente mais econômicos ao se usar o Gerenciador de Ponto de Orvalho – GPO, opcional.
Ciclo com Gerenciador de Ponto de Orvalho – GPO
