UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPART DEPARTAMENTO AMENTO DE ENGENHARIA ENGENHAR IA QUÍMICA
Compressores DISCIPLINA DE OPERAÇÕES UNITÁRIAS I Prof. Rodrigo S. Vieira
Compressão de gases Na indústria química, diversos gases devem ser transferidos através de dutos e equipamentos equipamentos de processo. Para impelir os gases, usam-se ventiladores, sopradores e compressores propriamente propriamente ditos: ventiladores (exaustores): aumento aumento de pressão pressão de até 0,03 atm. atm. ventiladores (exaustores): sopradores: sopradores aumento de pressão pressão de até 0,3 atm. atm. sopradores: aumento compressores: compressores aumento to de pressão pressão de de 0,3 0,3 atm até 4.000 4.000 atm. atm. compressores: aumen
Com press ores de g ases co rrespo nd e a ação d e qu alquer equ ipam ento de deslocam ento de g ases, ase s, independ ente do aumento de p ressão envolvido
Compressão de gases Os gases têm viscosidades e densidades menores que a dos líquidos e sã muito mais compressíveis: Compressores (em geral) e bombas apresentam uma semelhança superfici entre si: são baseados nos mesmos princípios físicos. Porém: •
Quando um gás é comprimido comprimido, seu volume diminui diminui substancialmente;
Ventiladores e Sopradores Os ventiladores operam a pressões suficientemente baixas, podendo-se desprezar a compressibilidade dos gases (o volume do gás não varia).
Classificam-se os ventiladores, segundo o fluxo, em radiais ou em axiais
Fluxo radiais dependem da força centrífuga para impelir o gás
Fluxo
axial imprimem ao gás uma parcela de energia a medida que ele escoa paralelamente ao eixo central do ventilador
Compressores O objetivo do compressor é comprimir e movimentar um gás desde um processo produtor até um processo consumidor.
O compressor torna-se necessário sempre que o gás for gerado a uma pressão insuficiente para o consumo ou quando a transferência espontânea não se processar com a intensidade devida.
Compressores A compressão de gases até pressões elevadas é uma operação freqüente n indústrias de processos químicos. Os compressores podem ser aplicados: •
no estabelecimento de pressões necessárias a certas reações químicas;
•
no transporte de gases em pressões elevadas;
•
no armazenamento sob pressão; etc.
Compressores de Deslocamento Positivo Alternativos
Podem fornecer gás com pressão de algumas frações de atm até pressões muito elevadas (~2400atm manométricas) As
peças características são as mesmas das bombas alternativas: pistão, um cilindro com válvulas para admissão e exaustão. Pode-se
usar único estágio ou multiestágio. No caso da compressão multiestágio é comum o resfriamento do gás entre os estágios.
Compressores de Deslocamento Positivo Alternativos
Compressores de Deslocamento Positivo Tipo Palhetas Rotativos
Tipo Parafusos
Compressores Dinâmicos A
ação entre o ar e uma peça mecânica envolve uma variação apreciável na velocidade do fluido.
Compressores centrífugos: Operam com mesmos princípios das bombas centrífugas.
os
Compressores axiais: Constituído por uma coroa de palhetas acopladas ao eixo rotatório, permitindo fluxo axial.
Compressores Dinâmicos
Compressores centrífugos O gás escoa através do olho do rotor, acelerado radialmente, saindo com um aumento da velocidade da periferia ao difusor (variação da energia cinética para energia de pressão).
Compressores axiais O
moviento geral do ar é paralelo ao eixo, o ar é expelido pelas aletas, a medida que se desloca da entrada para a saída, há uma diminuição na área entre as aletas o que ocasiona o aumento de pressão.
Seleção Informações normalmente necessárias para a seleção de compressores:
Temperatura de entrada Máxima temperatura de saída Variação de pressão Vazão composição Propriedades do gás: T c e pc peso molecular médio = c p /c v fatores de compressibilidade Usualmente é necessário manter contato com o fabricante para a escolha do tipo, potência, etc.. *
Quando a pressão de um fluido compressível aumenta adiabaticamente, a temperatura do fluido também aumenta.
p b pa
Para um dado gás, a razão da temperatura (Tb/Ta) aumenta com o aumento da razão de compressão (p b/pa).
Para uma mudança de pressão isentrópica (adiabática e sem atrito) de um gás ideal.
T b Ta
1
p b p a
1
onde
c p cv
Onde: cp e cv - calor específico à pressão e vazão constantes, respectivamente
Gás ideal: PV RT Transformação adiabática:
Pv
k
Em equipamentos a razão de compressão r c=p b/pa< [3 a 4], quando a temperatura isentrópica não é muito grande. Em compressores com alta r c 10, ela se torna excessiva.
Dimensionamento Considerações:
Em compressores reais existe atrito e o calor (do atrito) é também absorvido pelo gás. Os compressores devem ter camisas de resfriamento.
Devido a compressibilidade do fluido e a varaição de densidade (). A forma integral da Equação de Bernoulli Modificada, usada para as bombas torna-se inadequada.
Dessa forma, a Equação de Bernoulli Modificada para fluidos compressíveis pode ser escrita na forma diferencial e é usada para relacionar a carga do compressor com a variação de pressão. Pa ρa g
v a2 2g
ya ηW p
P b ρ b g
v b2 2g
y b h f
Sendo: ya e yb - altura em relação a um plano de entrada (a) e saída (b), respectivamente va e vb - velocidade média do fluido no ponto (a) e (b), respectivamente hf – perda de carga por atrito
- eficiência mecânica global do compressor
Wp – trabalho do compressor H = Wp - carga do compressor
Em equipamentos de compressão as energias mecânicas, potencial e cinética não são significativas, podendo-se desprezar seus termos. Admite-se ainda que a perda por atrito é mínima, com isso = 1,0 er hf = 0,0 (zero)
Balanço de Energia (desprezando termo de atrito) H c
pb
dp
a
p
2
g ( yb ya ) Normalmente não existe
vb
va2 2 Normamente desprezível em relação ao 1o. termo
Compressão Adiabática
Substituindo e Integrando:
Gás ideal
a
pvk ou p/k 1 p a p b p a 1 Hc a 1
p a M
p a
RTa
a
RTa M
1 RTa p b p a 1 Hc M 1
Usa-se gases não ideais 1 z a z b RTa p b p a 1 Hc 2 M 1
Pot .
ρ QH c η
