CONTROLE DO AR
CONTROLE
AVANÇADO DE
FILTROS DE MANGAS
Conheça o que há de moderno e eficaz para otimização do desempenho
de filtros de mangas, sejam os de pequeno ou de grande porte
por Tito A. Pacheco
32 | Meio Filtrante |Março/Abril 2007
Princípios da Ventilação Local Exaustora
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E
m meados de 2000, após ter ministrado
dezenas de cursos sobre Filtração Industrial
Seca nos mais variados clientes ao longo
de todo Brasil, verifiquei que a maioria dos
maiores Fabricantes de Equipamentos nacionais adotava uma tecnologia de controle de filtros ainda baseada nas antigas placas analógicas. Os manômetros,
na sua grande maioria, eram em tubo de “U”. Os demais
instrumentos, como: medidores de vazão, umidade,
temperatura, então, eram raríssimos.
Atualmente cerca de 50% dos fabricantes já utilizam
controladores digitais e demais instrumentos de
medição em seus Projetos. Os demais ainda alegam
que não os utilizam por razões de custo, mesmo que,
na ponta do lápis, isso não represente mais que 0,5%
do custo total do equipamento de despoeiramento.
A prova que o custo não é impeditivo é que a maioria
dos Fabricantes que incorporam os sistemas digitais
nos projetos de filtros é, justamente, o de menor
porte, o qual o considera não apenas um diferencial
competitivo, mas, principalmente, um meio para
obtenção de uma excelente performance em seus
produtos.
Os sistemas de despoeiramento seguem os princípios
da Ventilação Local exaustora, razão pela qual é
importante revisar alguns conceitos básicos, a fim de
compreender a lógica de controle destes sistemas.
Fig.1: a) Croqui de um sistema de ventilação local
exaustora. b) Identificação das perdas de carga
Esta ventilação é chamada de
local exaustora porque há uma
ou mais coifas de captação em
pontos específicos e próximos
da geração de pó, as quais são
interligadas por dutos ventilados
através de um ventilador com ou
sem filtração dos gases.
Na Fig.1- a) temos um sistema com
filtro de mangas, cuja filtração é
por Pressão Negativa, porque o
ventilador está depois do filtro,
gerando assim uma pressão menor
que a atmosférica da coifa até a
entrada no ventilador.
Da mesma forma, se o ventilador
estivesse antes do filtro, ela seria
chamada de filtração por Pressão
Positiva, pois haveria uma pressão
superior à atmosférica, tanto na
câmara suja como na câmara
limpa do filtro. Deve ser lembrado
que a pressão antes do ventilador
é sempre negativa e depois do
ventilador é sempre positiva.
Um Projeto de Sistema de Despoeiramento começa justamente na coifa
através da determinação de sua área de captação e da velocidade de ar
necessária para captar toda a emissão pulverulenta gerada no local a ser
despoeirado. Pois, o produto desta área pela velocidade é justamente a
Vazão de Captação.
Visto que existe uma velocidade ótima para transporte do particulado
através dos dutos, uma vez conhecendo a vazão, é determinado, então, o
diâmetro inicial das tubulações, o qual serve de partida para os Softwares
de Balanceamento de Dutos e Projeto de Filtros, como o Simulador de
Filtração Industrial Proteus, desenvolvido pelo Eng. Tito A Pacheco (ver
edição n° 04 da Revista Meio Filtrante).
Na Tabela 1 são exemplificados valores típicos de pressão estática em 6
pontos da tubulação do Sistema, representado no croqui da Fig.1. Estes
valores são normalmente obtidos por medições, a partir dos quais é
calculada a pressão diferencial, também chamada de Perda de Carga
entre os principais trechos. Estas perdas de carga também podem ser
Tabela 1: Medições típicas da pressão estática de um
sistema como o do croqui da Fig.1
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calculadas teoricamente com base justamente nos
dados dimensionais da coifa, dos dutos e da vazão e
densidade do ar captado (Simulador Proteus).
Estas informações são necessárias para especificação
da pressão total do ventilador, as quais, juntamente
com a vazão, correspondem as principais informações
para o seu dimensionamento.
Por fim, a perda de carga do filtro de mangas, em
geral, é arbitrária, apresentando valores típicos
como: 50, 80, 100, 120 ou 150mmCA, dependendo
da tecnologia do filtro e do processo de filtração.
Para obter a perda de carga desejada no filtro, existem
ajustes na regulagem do sistema de limpeza que
precisam ser feitos, os quais serão abordados mais
adiante neste artigo.
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Tabela 2: Alguns medidores de
Pressão Diferencial e Estática
Controle do filtro como recurso
para solução de problemas
A falha em filtros de mangas pode ser classificada
em dois tipos:
* Entupimento (baixa captação de particulado);
*Alta emissão na chaminé (passagem de pó pelo
filtro).
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Fig.2: Gráficos de Pressão x Vazão de um Sistema de
Despoeiramento em diferentes condições
Um melhor entendimento do funcionamento de um
Sistema de Despoeiramento pode ser feito através dos
gráficos da Fig.2, onde são representadas as operações
possíveis.
O somatório das perdas de carga do sistema aumenta
com o aumento da vazão, conforme a Curva do Sistema
(vermelha). Visto que a potência do conjunto motorventilador é limitada, para um aumento de pressão
corresponde uma diminuição da vazão de acordo com o
representado na Curva do Ventilador (azul). Onde estas
duas se encontram, temos então o ponto de operação
real do sistema de ventilação, em termos de Pressão
total (PPROJETO ou PVENTILADOR) e Vazão obtida
(VPROJETO).
Ao passo que a Curva do Ventilador somente se altera
se a rotação do variar, a Curva do Sistema pode variar
bastante.
Algumas causas da variação dessa curva podem ser:
* Alto PFILTRO devido ao entupimento do filtro de
mangas;
* Baixo PFILTRO devido ao excesso de limpeza do
filtro ou falta de particulado;
* Uso de dumpers para controle de vazão;
* Entupimento da tubulação;
* Uso de dumpers para entrada de Ar-falso (normalmente para controle de temperatura / fagulhas);
* Adição de mais pontos de captação e/ou desativação
de alguns existentes;
* Alteração significativa na densidade do ar ou do gás
a ser filtrado;
* Alteração do layout ou diâmetros da rede de dutos;
Como o POPERAÇÃO é o somatório das perdas de
carga de cada um dos componentes do sistema de
despoeiramento, uma alteração em
qualquer um deles afetará o seu
valor, gerando então uma vazão
maior ou menor que a de projeto
conforme a Curva do Ventilador
em questão. Normalmente, a perda de carga que mais tende a
variar é a do filtro de mangas, razão
pela qual devem ser concentrados
os esforços no controle do mesmo.
Falta de captação de particulado
A falta de captação é facilmente
detectável devido a fumaça que
tende a sair pelas bordas da coifa
de captação no caso dos Filtros de
Despoeiramento, vide Fig.3.
Fig.3: Falta de captação – detalhe
da fumaça escapando da coifa
No caso dos Filtros de Processo,
onde todo o particulado gerado deve ser captado, isso pode ser identificado pela redução da produtividade do moinho (ou secador,
reator, calcinador, etc.).
Conforme a Fig.2-b), se um dos
componentes, no caso a perda
de carga do filtro, aumentar, aumentará a perda de carga de
operaçãoP1, fazendo com que a
vazão do ventilador caia para um
valor V1, o qual é menor que a
vazão de projeto VPROJETO.
O aumento da Perda de Carga do
filtro de mangas pode ter várias
causas:
* Falha de Projeto do Filtro (falta
de manômetro para controle da
perda de carga, sistema de limpeza
mal dimensionado; excesso de
velocidade ascendente; ângulos da
tremonha inadequados, excesso de
relação ar-pano, má distribuição
do particulado entre as mangas ou
entre as câmaras do filtro, etc.),
* Falha de Especificação da Manga
Filtrante (gramatura e permeabilidade inadequadas, falta de estabilidade da densidade - baixa
qualidade do não-tecido, falta
de acabamento superficial, etc.),
* Falha de Operação do Filtro
(regulagem do sistema de limpeza
excessiva ou insuficiente, descarga
do particulado na tremonha insuficiente, etc.);
* Falha de Manutenção do Filtro
(mangueiras entupidas/desconectadas do manômetro, entrada de
ar-falso por buracos na chaparia
ou falha de vedação da válvula
de descarga, válvulas solenóides
inoperantes, etc.).
Dessas causas acima, é possível
atuar na Falha de Operação através
de uma adequada instrumentação
e controle do filtro de mangas.
Excesso de captação de
particulado
Sob o ponto de vista do usuário
do sistema, muitas vezes, pode ser
entendido que quanto maior a vazão do sistema de despoeiramento,
melhor será a captação, pois maior
será a velocidade de sucção das
partículas na coifa.
Desta forma, o filtro deveria operar com a menor perda de carga
possível, utilizando mangas ultra
antiaderentes sob a maior intensidade de limpeza possível. A
Fig. 2 - c) representa este tipo de
operação, onde o somatório de
perdas de carga P2 é menor
que a perda de carga de projeto
PPROJETO, resultando assim, numa vazão de captação V2 maior
que a vazão de projeto VPROJETO.
De fato, quanto maior a vazão,
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Fig. 3: a) Abrasão na manga por excesso de velocidade do gás; b)
descosturamento do tampão por fricção entre mangas devido à
movimentação das gaiolas dada a alta velocidade dos gases no filtro; c)
arraste de fagulhas devido ao excesso de captação, gerando assim furos
na manga; d) passagem de particulado através do elemento filtrante; e) e
f) furo no duto por excesso de velocidade de transporte
melhor será a captação; contudo,
muitos problemas de MANUTENÇÃO e ESTABILIDADE de operação acontecerão.
Se o particulado for abrasivo, ele
pode produzir o mesmo efeito que
um jato de granalha, desbastando e até furando os dutos, principalmente nas mudanças de direção ou junções dos mesmos, vide
Fig.3 e) e f).
Além disso, em se tratando de
filtração em profundidade como
a produzida por mangas constituídas de não-tecido tipo feltro
agulhado é fundamental a existência de pré-capa de particulado para obtenção de uma boa
filtração de particulados com baixa granulometria.
Um excesso de limpeza pode
dificultar sobremaneira esta formação de pré-capa levando a uma
ineficiência de filtração para as
frações mais finas de particulado
(normalmente abaixo de 25µm).
Medição e Controle da Perda
de Carga do Filtro
Como é possível observar, pelo
acima exposto, tanto o excesso de
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captação, como a falta de captação, gerada por falta ou excessiva
perda de carga no filtro de mangas
são bastante problemáticos.
Desta forma, o sistema de limpeza
deve ser regulado para obtenção
de uma perda de carga próxima
da perda de carga de projeto. Tipicamente tem sido verificado um
bom desempenho se a operação do
filtro é mantida na faixa de ±10%
da Perda de Carga de Projeto.
Normalmente, o filtro de mangas
partido com um jogo novo de
mangas filtrantes, apresenta uma
perda de carga de 5 a 15mmCA, a
qual sobe na medida da saturação
com pó dos elementos filtrantes.
Ao receber a limpeza por ar com-
primido esta perda de carga baixa
um pouco, em geral não mais que
50mmCA, subindo gradualmente
em seguida, até a ocorrência do
próximo pulso de limpeza, vide
Fig.4. A condição de Alarme pode
variar de filtro para filtro, dependendo das características intrínsecas do processo de filtração;
contudo, na maioria dos casos,
pode ser adotado o critério estabelecido na Fig.4. Isso significa
que, se o filtro operar por alguns
dias numa condição acima do limite de alarme, há um elevado
risco de entupimento irreversível
das mangas filtrantes.
Para Filtro Jato Pulsante, estas regulagens são tipicamente: pressão
de limpeza, intervalo e duração
dos pulsos de ar comprimido.
Estes pulsos são aplicados em
válvulas diafragma (ou solenóide), vide Fig.5, através de um controlador apropriado. No exemplo
da Fig.5, uma duração de pulso
elétrico de 200ms aplicada em
uma válvula Renner de ø 1 ½”,
conectada a um reservatório de
ar de 511L e a 5 bar de pressão,
gera uma vazão de ar total de
360NL/pulso (Normal Litro por
pulso, ou seja 360L nas Condições
Normais de Temperatura e Pressão - CNTP).
A duração do pulso é definida
pela vazão de ar necessária para
limpar as mangas em cada pulso
Fig. 4: Evolução da Perda de Carga do Filtro em função do tempo
Fig.5: Curvas de vazão medidas com ar comprimido
para Válvula Renner ø1 ½” para diferentes pressões
e durações de pulso usando um reservatório de ar
comprimido de 511L. A pressão de limpeza é definida
pelo fabricante do filtro e pela construção do
elemento filtrante. Por exemplo, é usual utilizar
pressões de até 6 bar para mangas em não-tecido,
bem como pressões de até 4,5bar para
mangas em tecido de fibra de vidro
de limpeza, ou seja, quanto maior for a área filtrante
para ser limpa por uma válvula, tanto maior deverá ser
a vazão para esta limpeza.
Outros fatores como facilidade de aglomeração e
distribuição granulométrica do pó, bem como, sua
concentração nos gases sujos pode influenciar para
definição de uma vazão um pouco maior do que a
definida pelo critério do parágrafo anterior.
Por fim, válvulas com pequeno coeficiente de vazão
(Cv ou Kv) demandam o uso de uma duração de pulso
maior para obter a mesma taxa de consumo por pulso
demandada conforme os critérios acima expostos.
O controle das válvulas pode ser feito através de dois
métodos:
* por Demanda de Tempo;
* por Demanda de Pressão.
No primeiro, o controlador aciona uma por uma das
válvulas em seqüência por tempo indeterminado, ou
seja, enquanto estiver energizado.
Desta forma, o sistema de limpeza é acionado independentemente se as mangas estão precisando de limpeza
devido a um alto valor de perda de carga ou estão
praticamente limpas devido a pouca quantidade de
particulado nos gases filtrados.
No segundo, método de limpeza por Demanda de
Pressão, o usuário pré-define no controlador a pressão
a partir da qual, deve ser iniciado o sistema de limpeza, bem como a pressão abaixo da qual ele deve ser
desativado.
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Fig.6: Alguns modelos de Válvulas Renner com
conexão tipo rosca e tipo baioneta (engate rápido)
Fig.7: Linha de Controladores para válvulas integrais:
ECO para limpeza por demanda de pressão
(Economizador) ou tempo e GC para limpeza
exclusivamente por demanda de tempo
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Com este tipo de operação, o sistema de limpeza só é ativado se a perda
de carga do filtro estiver alta, gerando assim, períodos de ativação e
inativação. Pois a razão entre o tempo de inativação da limpeza em
relação ao tempo total em que o aparelho poderia estar ativo se limpasse
por demanda de tempo corresponde ao Percentual de Economia de ar
comprimido.
Por esta razão, os controladores de válvulas que operam por demanda
Tab.2: Quadro comparativo dos Controladores de Filtros de mangas
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Fig.8: Linha de Controladores para válvulas remotas.
Todos são economizadores
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Fig.9: Conexão típica do Pilot-Box
com as válvulas de imersão no
reservatório de ar comprimido
de pressão são chamados de
Economizadores. A grande vantagem dos Economizadores tipo
Ecoserial é que apenas um par
de fios sai do controlador em
direção aos Pilot-Boxes, os quais
são ligados em série e devem
ficar o mais próximo possível das
válvulas.
Devido à montagem em monobloco dos solenóides, bem como
devido ao acionamento somente
pneumático das válvulas, este tipo
de configuração além de prática,
também é destinada a sistemas de
despoeiramento onde haja risco
de explosão.
Principalmente nos casos dos
filtros de mangas que param diariamente, algumas vezes, tem sido
verificada uma operação com alta
perda de carga logo na partida
do filtro, ou seja, uma perda de
carga muito maior que a medida
antes do desligamento do filtro.
Isso se deve a aglomeração do
particulado, ainda existente nas
mangas, proporcionada pela condensação do orvalho durante a
parada do filtro.
Para evitar isso, deve ser feita
a Limpeza em Off-Line, ou seja, limpeza das mangas após o
desligamento do ventilador (Limpeza Pós-Parada) ou limpeza das
mangas da câmara isolada com
dumpers durante alguns ciclos
completos. Um Ciclo Completo
de Limpeza é definido como o
intervalo de tempo entre acionar
a limpeza de uma válvula e voltar
Fig.10: Identificação dos parâmetros do Ecomatic e do
comportamento da perda de carga do filtro em função
do tempo sob limpeza SEM a Função Pós-Parada
Tab.3: Procedimento operacional de parada
e partida de Filtros de Mangas
Legenda:
Fig.11: Identificação dos parâmetros do Ecomatic e do
comportamento da perda de carga do filtro em função
do tempo sob limpeza COM a Função Pós-Parada
O “X” define que equipamentos devem estar em
funcionamento no momento da execução da
etapa (linha) do procedimento.
GERAÇÃO DE PÓ = Ativação da geração de pó
(moagem, calcinação, secagem, despoeiramento
simples, etc.) diferente da geração de pó
proveniente do Forno ou Caldeira.
FORNO = Ativação do Forno ou Caldeira caso
exista.
PRÉ-CAPA = Injeção do pó escolhido para fazer a
pré-capa.
VENTILADOR = Ativação do Ventilador do Sistema.
LIMPEZA = Ativação do Sistema de Limpeza do filtro
e de suas Válvulas de Descarga (válvula rotativa,
duplo-pêndulo e/ou rosca transportadora). Se estas
válvulas não forem ativadas concomitantemente
com o sistema de limpeza, poderá haver grave
entupimento das mesmas.
CONTROLE DO AR
a acionar a mesma válvula. De uma forma geral, já foi
possível elaborar um procedimento operacional geral
para a partida e parada de filtros de mangas, o qual já
foi testado com sucesso nos mais variados processos
industriais.
Conclusão
Em geral a vida útil de um elemento filtrante está entre
1 a 2 anos de uso.
Contudo, se for necessária a troca de mais de 30% das
mangas falhas antes de um ano, é um sinal de alerta
indicando que algo precisa ser melhorado no Sistema
de Despoeiramento.
Como têm sido abordados em outros artigos, estes
problemas podem ser provenientes do Projeto do
Filtro, Especificação das Mangas, Manutenção e/ou
Operação do Filtro.
No que tange a Operação do filtro, foi visto neste artigo
os benefícios para todo o sistema de despoeiramento
da operação do filtro numa perda de carga estável e
num valor de acordo com o Projeto.
Isso pode ser obtido com a Limpeza por demanda
de Pressão, a qual, também permite a economia do
“Nos casos dos filtros de
mangas, alguma vezes
tem sido verificada uma
operação com alta perda de
carga logo na partida
do filtro”
ar comprimido de limpeza das mangas. Por
conseguinte, com menos pulsos de limpeza por
mês, menos fadiga mecânica e maior vida útil
será obtida no jogo de mangas.
Contudo, existem outros instrumentos para
monitoramento de filtros que também contribuem significativamente para otimização de
sua performance, como: medidores de vazão,
temperatura, emissão de pó e umidade. Os
problemas que podem ser diagnosticados através
destes instrumentos serão tema de um futuro
artigo. Justamente por não abranger todas as possibilidades, as técnicas apresentadas devem ser
complementadas, de preferência, com soluções
específicas para cada caso obtidas pela técnica
de Avaliação de Processos, desenvolvida pelo
Eng.Tito A Pacheco, de forma a abranger também
as demais causas de falha além da operação do
filtro. Com isso, é eliminada a perda de tempo e
dinheiro na busca de soluções por tentativa e erro,
seja devido a trocas de fornecedores e produtos,
ou devido a alterações indevidas no Sistema de
Despoeiramento.
Esta técnica alia os Recursos de Simulação
Computacional, tanto em termos de balanços
de massa e de energia, como em termos de CAE
para estudo da evolução dos gradientes de vazão,
temperatura e pressão por análise de elementos
finitos dentro dos equipamentos e dutos, à
experiência prática na Solução de Problemas
de centenas de Sistemas de Filtração nos mais
diversos processos industriais. RMF
Tito A. Pacheco é Engenheiro Químico formado na
UFRGS. Foi responsável pela Engenharia da Renner
Têxtil Ltda. 1997 e é especialista em Tecnologia
e Serviços de P&D em Sistemas de Despoeiramento e
Controle Químico da poluição atmosférica industrial.
Atualmente é diretor da Vortex Consultoria Industrial.
Contato: (51) 99 64 63 62 / 32 76 70 76
[email protected]
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