Como a recuperação de vapor flash pode reduzir os custos e as emissões

No mundo industrial atual, a eficiência energética e a redução de custos são essenciais. O vapor flash, gerado quando o condensado pressurizado reduz subitamente a sua pressão, pode ser uma fonte valiosa de energia reutilizável. Este processo não só diminui a necessidade de gerar novo vapor, reduzindo os custos operacionais, como também ajuda a reduzir as emissões de carbono, promovendo operações mais sustentáveis. A implementação de sistemas de recuperação de vapor flash e de termocompressão pode transformar significativamente a eficiência energética da sua fábrica - descubra neste artigo como pode otimizar o seu processo e contribuir para um futuro mais limpo e mais eficiente!

O que é o Flash Steam?

O "vapor flash" é simplesmente vapor. O prefixo "flash" é utilizado para indicar que este vapor foi gerado a partir de água condensada/quente pressurizada que sofreu uma redução súbita de pressão.

O vapor flash é gerado quando o condensado de alta pressão é libertado a uma pressão mais baixa. A água entra em ebulição a 100°C à pressão atmosférica. O vapor é geralmente utilizado a uma pressão superior à pressão atmosférica nas condutas de vapor. À medida que o vapor perde o seu calor no transporte para operações de processo ou através de perdas por radiação, resulta em condensado. O condensado formado tem a mesma pressão e temperatura que o vapor.

O condensado pressurizado é introduzido à pressão atmosférica com mais energia do que poderia conter à pressão atmosférica. A energia em excesso é utilizada para converter o condensado. Esta ocorrência é conhecida como "flashing" e o vapor gerado é conhecido como vapor flash.

Devido ao vapor flash, os tubos de aço e cobre ligados à saída ou aos purgadores de vapor estão mais expostos à corrosão interna. O entupimento do purgador de vapor leva a tensões elevadas no sistema de tubagem interno. Isto remove o revestimento interno resistente à corrosão, resultando num afinamento da superfície interna do metal. O vapor transporta impurezas e danifica ainda mais a tubagem.

A fórmula para calcular o vapor de flash gerado é a seguinte

Flash % = (Hf1-Hf2)/Hfg2

• Hf1 = Calor sensível no condensado a uma pressão mais elevada
• Hf2 = calor sensível no condensado a baixa pressão
• Hfg2 = Calor latente do vapor formado a uma pressão mais baixa

Volume de vapor flash gerado

O vapor é mais denso em comparação com a água, resultando num pequeno aumento na percentagem de vapor flash gerado que aparece como um grande aumento no volume de vapor gerado. Para compreender melhor este facto, o volume de condensado a 100°C é de 0,00104 m³/kg e o volume de vapor atmosférico é de 1,67 m³/kg. Como o condensado de alta temperatura a 1,0 MPaG é libertado a uma pressão mais baixa, como a pressão atmosférica, 16,1% em massa desse condensado é convertido em vapor.

Vamos compreender melhor como se forma o vapor de flash?

Vamos explicar isto de forma simples. O vapor a uma determinada pressão tem dois tipos de energia: energia sensível e energia latente. A energia latente está disponível enquanto o vapor está na sua forma gasosa, mas quando se condensa, esta energia é libertada e o que permanece no condensado é a energia sensível.

Para compreender melhor esta questão, vamos analisar o vapor a duas pressões diferentes, utilizando alguns dados de uma tabela de vapor:

• A 9 barg (uma pressão elevada), o vapor tem 2.014 kJ/kg de energia latente e 763 kJ/kg de energia sensível.
• A 0 barg (pressão atmosférica), o vapor tem 2.256 kJ/kg de energia latente e 419 kJ/kg de energia sensível.

A diferença de energia sensível entre estes dois pontos é de 344 kJ/kg. É esta energia extra que faz com que uma pequena quantidade de condensado se transforme em vapor instantaneamente se o condensado a 9 barg baixar a sua pressão para 0 barg. Este fenómeno só ocorre com o condensado quente, uma vez que o condensado frio já libertou o seu excesso de energia.

Para visualizar isto, consideremos um exemplo. Se tiver 5.000 kg de condensado a 9 barg e reduzir a sua pressão para 0 barg, este é o cálculo da quantidade de vapor flash que seria produzido.

Assim, dos 5.000 kg de condensado inicial, 762 kg seriam perdidos como vapor de flash.

Este tipo de cálculo ajuda-o a determinar a quantidade de energia que pode estar a perder no seu processo e, a partir daí, pode procurar formas de recuperar alguma dessa energia para melhorar a eficiência do seu sistema.

Utilização de vapor flash

A nuvem de vapor é formada por vapor flash como resultado da descarga de condensado. Uma vez que a qualidade do vapor flash e do vapor vivo é a mesma, muitas unidades de processo utilizam uma quantidade considerável de vapor flash sempre que possível.

A reutilização do vapor de flash num sistema de baixa pressão gerado pelo sistema de alta pressão leva a uma poupança significativa de energia, para além de reduzir as nuvens de vapor. O sistema de gestão do calor residual avalia o sistema de recuperação de condensados e o sistema de recuperação de vapor flash como pares.

Exemplos práticos da indústria para a utilização de vapor flash

1. Indústria alimentar / Pasteurização e esterilização: Nas fábricas de processamento de alimentos, o vapor flash é reutilizado em sistemas de baixa pressão para processos de pasteurização e esterilização. Por exemplo, uma fábrica de lacticínios pode utilizar o vapor flash para aquecer a água utilizada na limpeza e esterilização do equipamento, reduzindo assim o consumo de energia e optimizando a utilização do vapor gerado.
2. Indústria têxtil / Máquinas de tingir e secadores: Na indústria têxtil, o vapor flash é utilizado para alimentar máquinas de tingimento e secadores. As elevadas temperaturas necessárias para estes processos são atingidas de forma eficiente através da utilização de vapor flash, o que reduz a necessidade de produção adicional de vapor e diminui os custos de energia.
3. Refinarias de Petróleo / Recuperação de Energia em Colunas de Destilação: Nas refinarias de petróleo, o vapor flash é utilizado nas colunas de destilação para melhorar a eficiência energética. O vapor flash gerado nos permutadores de calor é redireccionado para fornecer calor adicional às colunas de destilação a uma pressão mais baixa, melhorando assim a eficiência do processo e reduzindo as emissões de vapor para a atmosfera.
4. Fábricas de pasta e papel / Aquecimento do cilindro do secador: Nas fábricas de pasta e papel, o vapor flash é utilizado para aquecer os rolos secadores utilizados no processo de secagem do papel. A utilização de vapor flash para esta aplicação permite um controlo mais preciso da temperatura e humidade do papel, melhorando a qualidade do produto final e reduzindo o consumo de energia.
5. Fábricas de Produtos Químicos / Sistemas de Reactores e Evaporadores: As fábricas de produtos químicos utilizam vapor flash em sistemas de reactores e evaporadores. O vapor flash gerado nos processos de condensação é redireccionado para fornecer calor aos reactores químicos e evaporadores, permitindo um funcionamento mais eficiente e sustentável.
6. Centrais eléctricas / Pré-aquecimento da água de alimentação: Nas centrais eléctricas, o vapor flash é utilizado para o pré-aquecimento da água de alimentação das caldeiras. Esta utilização de vapor flash não só melhora a eficiência térmica do sistema de produção de energia, como também contribui para a redução das emissões de gases com efeito de estufa.

Vantagens da recuperação de vapor flash

• Melhoria do processo através da recuperação de energia térmica valiosa do condensado, melhorando a eficiência energética global e a relação custo-eficácia da linha.
• Aumento da capacidade da caldeira através da redução do vapor perdido como vapor flash, tornando-o disponível para outros utilizadores, o que é benéfico em locais onde a capacidade de produção de vapor é uma preocupação operacional.
• Redução das emissões de carbono (CO2).

Processos e sistemas para recuperação de vapor flash

Um sistema de recuperação de vapor flash liberta vapor flash para um recipiente em vez de para a atmosfera. Este é reintroduzido no sistema de caldeira de vapor ou para alimentar aplicações de baixa pressão. O condensado que vaporiza ao sair dos purgadores de vapor entra no coletor de vapor flash. Atinge o meio do recipiente com o vapor e o condensado a separarem-se no topo e no fundo do recipiente, respetivamente.

Um sistema eficaz de recuperação de vapores flash requer vários factores:

• Necessita de um condensado de alta pressão adequado para libertar vapor flash suficiente para uma recuperação rentável.
• Uma aplicação adequada a baixa pressão para o vapor flash recuperado. É necessário assegurar que a procura de vapor de flash esteja de acordo com a sua disponibilidade.
• A aplicação do vapor flash deve ser aproximadamente próxima da fonte de condensado de alta pressão.
• O purgador e o equipamento devem funcionar corretamente contra a contrapressão aplicada pelo sistema de vapor de flash.
• A pressão do vapor que chega abaixo da pressão de vapor de flash determinada reduz a quantidade total de vapor de flash formado.

Os benefícios da utilização de um tanque flash incluem:

• Separação do condensado e do vapor flash.
• Fornecimento de vapor de flash a baixas velocidades no sistema de vapor de baixa pressão para garantir que nenhum condensado seja recuperado.
• Espaço suficiente para armazenar uma quantidade calculada de condensado e vapor de flash.

Nota: A libertação de energia ou vapor flash ocorre numa linha de condensado corretamente dimensionada para os caudais.

Os tanques flash podem ser montados verticalmente ou horizontalmente, mas a disposição vertical é o método preferido porque permite uma melhor separação do vapor e do condensado, resultando na melhor qualidade possível do vapor flash.

A dimensão mais importante no projeto de tanques de flash verticais é o diâmetro interno, que deve ser suficientemente grande para assegurar uma baixa velocidade de descarga de vapor através do bocal de saída do flash, eliminando qualquer possibilidade de transporte de condensado. As velocidades de saída do tanque de flash não devem exceder 3.000 pés por minuto.

A linha de retorno de condensado deve ser corretamente dimensionada para assegurar que o vapor flash é libertado para a linha de condensado antes de entrar no tanque flash; assim, o tanque flash torna-se um tanque de separação (vapor flash e condensado). Infelizmente, uma elevada percentagem de linhas de condensado em operações de instalações industriais não está corretamente dimensionada, de modo a que todo o vapor flash não ocorra na linha de condensado. Nestes casos, o tanque flash deve ter uma área adicional para a libertação do vapor flash.

Os tanques flash são considerados recipientes sob pressão e devem ser construídos de acordo com as normas ASME e os códigos locais.

Termocompressão: Transformar o vapor flash em poupança de energia e redução de emissões

Uma grande percentagem de instalações não necessita de vapor de baixa pressão, pelo que não pode ser implementado um sistema de vapor em cascata. No entanto, ainda é possível tirar partido do vapor flash para reduzir os custos e as emissões através da incorporação de um sistema de termocompressão.

Recuperação de vapor flash por termocompressão

A termocompressão pega no vapor de baixa pressão, que normalmente não pode ser reutilizado, e transforma-o numa pressão de vapor mais elevada e utilizável. Este processo é particularmente benéfico para as instalações que não têm uma aplicação direta para o vapor de baixa pressão, uma vez que permite que a energia do vapor flash seja aproveitada noutro ponto do sistema de vapor.

O termocompressor é um dispositivo simples mas eficiente que existe há muitos anos. O seu funcionamento baseia-se em princípios físicos bem estabelecidos. O dispositivo tem um bocal onde o vapor de alta pressão, proveniente de uma fonte vegetal, é acelerado num fluido de alta velocidade. Esta alta velocidade do vapor cria uma força de arrastamento que incorpora o vapor de baixa pressão do tanque de flash por transferência de momento. O vapor combinado é então recomprimido num venturi divergente, resultando numa pressão de vapor intermédia e utilizável.

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Benefícios económicos e ambientais

• Redução de custos: Ao recuperar e reutilizar o vapor flash, as fábricas podem reduzir significativamente a necessidade de gerar novo vapor a partir das suas caldeiras. Isto leva a uma diminuição do consumo de combustível, o que, por sua vez, reduz os custos operacionais associados à compra de combustível e à manutenção das caldeiras. Além disso, ao reduzir a procura de vapor de alta pressão, a vida útil do equipamento pode ser prolongada, reduzindo assim os custos de reparação e substituição.
• Redução das emissões: A termocompressão contribui para a redução das emissões de gases com efeito de estufa. Ao maximizar a utilização do vapor flash, a quantidade de combustível necessária para gerar vapor adicional é reduzida. Isto resulta numa menor combustão de combustíveis fósseis e, por conseguinte, em menores emissões de dióxido de carbono (CO2) e outros poluentes. Esta prática não só ajuda a cumprir os regulamentos ambientais mais rigorosos, como também melhora a sustentabilidade global das operações da fábrica.
• Eficiência energética: A implementação de sistemas de termocompressão melhora a eficiência energética das instalações. Ao reutilizar eficazmente o vapor flash, a utilização de energia é optimizada ao longo de todo o processo industrial. Esta eficiência energética traduz-se numa operação mais sustentável e económica, permitindo às instalações maximizar o retorno do investimento nos seus sistemas de vapor.
• Versatilidade operacional: A pressão de vapor intermédia gerada pelo termocompressor é útil para várias aplicações na fábrica. Isto proporciona uma maior flexibilidade operacional, permitindo que as instalações ajustem os seus processos conforme necessário para otimizar a produção e o consumo de energia.