Resfriadores de amostragem e trocadores de calor para amostragem em alta temperatura

Resfriadores de amostragem e trocadores de calor para amostragem em alta temperatura

Muitos fluxos de processos de refino, petroquímicos e de geração de energia estão quentes demais para serem amostrados diretamente. A refrigerador de amostras — um pequeno trocador de calor dedicado ao condicionamento da amostra — reduz a temperatura do fluido a um nível que o analisador ou o laboratório possam suportar, ao mesmo tempo em que protege as vedações, a tubulação e os instrumentos contra danos térmicos. Quando bem executado, esse processo também evita que a amostra evapore ou se condense, o que garante que ela permaneça representativa.

Este guia aborda por que as amostras de alta temperatura precisam de condicionamento, os principais modelos de resfriadores, como dimensioná-los e as considerações sobre materiais e ponto de orvalho que determinam se a amostra resfriada ainda reflete o que deveria refletir.

Por que as amostras de alta temperatura precisam de condicionamento

Uma amostra coletada na faixa de 200 a 350 °C não pode ser enviada diretamente para um analisador. Os problemas são tanto práticos quanto analíticos:

• Limites do instrumento e da vedação — os analisadores, as vedações das válvulas e as tubulações têm temperaturas máximas de operação bem abaixo das condições de processo de alta temperatura.
• Fenômeno de flashing e fluxo bifásico — um líquido quente e pressurizado se transforma instantaneamente em vapor à medida que esfria e se despressuriza, resultando em uma corrente bifásica que nenhuma medição monofásica é capaz de interpretar.
• Segurança — as linhas de amostragem em alta temperatura representam um risco de queimadura para os operadores e são uma fonte de tensão térmica nas conexões.
• Representatividade — o resfriamento descontrolado pode causar a condensação de componentes pesados e a perda de fracionamentos leves, de modo que a amostra analisada deixa de corresponder ao processo.

Um resfriador de amostras com dimensionamento adequado resolve todos esses quatro problemas, levando a amostra a uma condição controlada, monofásica (ou com gerenciamento do ponto de orvalho), antes que ela chegue ao analisador.

Modelos de resfriadores de amostragem

A escolha depende da carga térmica, do meio de resfriamento disponível e de sua temperatura, da temperatura de saída da amostra exigida e do espaço físico disponível no compartimento do analisador.

Dimensionamento de um resfriador de amostras

O dimensionamento segue uma abordagem padrão para trocadores de calor, mas com restrições específicas para a amostra. A carga térmica necessária é:

Q = m · c_p · ΔT

onde m é o vazão mássico da amostra, c_p seu calor específico, e ΔT a queda de temperatura desde a entrada da amostra até a saída desejada. A isso, é preciso somar:

• A vazão da amostra — fluxo em circuito rápido ou fluxo paralelo do analisador, normalmente de dezenas a centenas de cc/min.
• Temperaturas de entrada e saída — a saída geralmente ajustada logo acima do ponto de orvalho da amostra.
• Temperatura do meio de resfriamento — a temperatura de entrada entre a saída da amostra e o meio de resfriamento deve ser realista.
• O calor específico e, no caso dos gases, o comportamento de condensação da amostra.

Se o resfriador for subdimensionado, a amostra fica muito quente e isso sobrecarrega os componentes a jusante. Se for superdimensionado, ele resfria a amostra abaixo do ponto de orvalho e causa a condensação de líquido dentro do analisador — um erro que corrompe silenciosamente a medição.

Controle do ponto de orvalho: a regra fundamental de projeto

O erro mais comum no resfriador de amostras é resfriar uma amostra de gás abaixo do ponto de orvalho dos hidrocarbonetos ou da água. Quando isso acontece, ocorre condensação de líquido no resfriador ou na linha de amostragem, e a amostra que chega ao analisador deixa de representar o processo — o analisador detecta um gás mais pobre do que o que o processo realmente contém.

Existem duas estratégias para evitar isso:

1. Resfriar até um pouco acima do ponto de orvalho — dimensionar o resfriador e controlar o meio de resfriamento de modo que a temperatura de saída da amostra permaneça acima do ponto de orvalho dos componentes mais pesados.
2. Providencie um filtro de separação e um retorno de líquido — se a amostra precisar ser resfriada abaixo do seu ponto de orvalho, adicione um tambor de separação e devolva o líquido condensado ao processo, de modo que, pelo menos, o comportamento de fase seja controlado.

Wanan’s sistemas de amostragem em circuito fechado Incorporar resfriadores de amostragem dimensionados de acordo com o ponto de orvalho do processo, com percursos de retorno de líquido, quando necessário.

Materiais e Construção

A superfície do tubo deve ser resistente tanto ao fluido de processo quanto ao meio de resfriamento, e o projeto do resfriador deve evitar pontos mortos onde o líquido possa se acumular e estagnar. No caso de abrigos de analisadores, o resfriador é geralmente montado o mais próximo possível da tomada de amostra, na medida do possível, para minimizar o comprimento da linha de amostra quente.

Perguntas frequentes

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