Projeto Hexano (Memoriais descritivo e de cálculo) (1)

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UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO
FACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITETURA
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
Chanele Kaminski
 Louysi Bortoncello
Samarah Graciola
Projeto I - Dimensionamento de bomba para transporte de hexano
Passo Fundo
2022
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Tanque de aço inox para hexano.	5
Figura 2 - Tubulação em aço inox 316/L.	6
Figura 3 – Vistas do suporte tipo abraçadeira.	7
Figura 4 - Vão máximo entre os suportes.	7
Figura 5 - Válvula de esfera em aço inox 304/L.	8
Figura 6 – Válvula de retenção em aço inox 316/L.	8
Figura 7 – Curvas de 90º em aço inox.	9
Figura 8 – Design exterior de uma bomba BC-92S 1B.	10
Figura 9 – Dimensões de tubos de aço	13
Figura 10 – Diagrama de Moody	16
Figura 11 - Constante de perda de carga para acessórios	17
Figura 12 – Dados de operação da bomba BC-92S 1B.	20
Figura 13 – Outros dados de operação da bomba BC-92S 1B	21
SUMÁRIO
1	INTRODUÇÃO	4
2	MEMORIAL DESCRITIVO	5
2.1	MATERIAIS NECESSÁRIOS	5
2.1.1	Tanques	5
2.1.2	Tubulação	6
2.1.3	Suporte para a tubulação	6
2.1.4	Válvulas	7
2.1.5	Curvas	8
2.2	Equipamentos	10
2.2.1	Bomba	10
3	MEMORIAL DE CÁLCULOS	12
3.1	Dimensionamento dos tanques	12
3.2	DIMENSIONAMENTO DA TUBULAÇÃO	13
3.3	DIMENSIONAMENTO DA BOMBA	14
3.3.1	Classificação do escoamento	14
3.3.2	Teorema de Bernoulli	14
3.3.3	Net Positive Suction Head	19
REFERÊNCIAS	22
INTRODUÇÃO
	Neste projeto buscou-se desenvolver um sistema de bombeamento de hexano, o qual será implantado no prédio L1- Centro de Pesquisa em Alimentação, Universidade de Passo Fundo (UPF), Passo Fundo, Brasil. O tanque contendo o hexano com a temperatura de saída de 25°C, será operado no andar térreo, na sala de número 103, enquanto o recebimento deste fluido será no Serviço de Análise de Rebanhos Leiteiros (SARLE). A tubulação será executada em aço inox 316, a tubulação seguirá pelo corredor interno do prédio, e será fixada por suportes de aço inox junto ao teto. A bomba escolhida para esta operação foi do tipo centrífuga 1,5 CV Monofásica 110/220V BC-92S 1B SCHNEIDER.O fluido possui viscosidade 655 kg/m³ e viscosidade de 0,32 cP na temperatura de transporte (25°C).
MEMORIAL DESCRITIVO
MATERIAIS NECESSÁRIOS
Tanques
	Um tanque de aço inox 316-L será instalado na Sala 103 e terá o volume de 15 m³; área de 0,000778 m²; diâmetro de 2,34 m e altura de 3,5 m, visando respeitar os limites da construção do prédio. Para receber o fluido procedente do tanque I, será instalado um tanque II de recebimento no Serviço de Análise de Rebanhos Leiteiros (SARLE), com as mesmas proporções e características do tanque I. Os tanques de aço inox serão do fornecedor Agimix®.
Figura 1 - Tanque de aço inox para hexano
Fonte: Abinox (2017).
Tubulação
	A tubulação será realizada em aço inox 316-L sem costura, como será transportado o hexano, esse tipo de aço é indicado para evitar corrosão, e vazamentos. O diâmetro nominal será de 1 polegadas (33,40mm) ; diâmetro interno de 33,40 mm; e área da seção transversal de 0,000778 m². A tubulação terá um comprimento total de 95,54 m.
.
Figura 2 - Tubulação em aço inox 316/L.
Fonte: Abinox (2017).
Suporte para a tubulação
Os suportes auxiliam para sustentar os esforços exercidos pelos tubos (ou através deles), transmitindo-os às estruturas projetadas para isso. Os apoios escolhidos para o projeto são os suportes de baixo coeficiente de atrito da fornecedora Rimafel®. Eles servem para limitar ou direcionar o movimento dos tubos devido aos pesos atuantes (peso do próprio tubo, válvulas, fluidos, etc.). Os suportes escolhidos são feitos em aço inox e são indicados para tubulações em aço (carbono e inox) de diâmetro nominal de 1 a 6 polegadas.
Figura 3 – Suporte para tubos do tipo abraçadeira.
Fonte: Rimafel® (2022).
Serão utilizados 18 suportes ao longo da tubulação. Para o diâmetro da tubulação e schedule escolhidos, o fornecedor sugere um vão entre os suportes de 3,6 m, conforme a figura abaixo:
Figura 4 - Vão máximo entre os suportes.
Fonte:Rimafel® (2022).
Válvulas
	Será instalada uma válvula do tipo esfera na saída do Tanque 1, uma válvula de retenção antes da entrada de alimentação da bomba, e outra válvula esfera anterior à alimentação do Tanque 2. As válvulas do tipo esfera, foram escolhidas devido à sua facilidade de abertura e fechamento, além de proporcionar uma boa vedação, evitando vazamentos. A válvula de retenção será utilizada para que o refluxo não cause danos ao equipamento, e assim o liquido possa fluir somente para uma direção. O material de composição das válvulas será o aço inox 316/L e fornecedor será a empresa Genebre®.
Figura 5 - Válvula de esfera em aço inox 304/L.
Fonte: Genebre(2022).
Figura 6 - Válvula de retenção em aço inox 316/L.
Fonte: Genebre(2022).
Curvas
Serão necessárias 3 curvas de 90° ao longo da tubulação. A composição das curvas também será em aço inox 316/L. O fornecedor das curvas será a empresa Webinox®.
Figura 7 - Curvas de 90° em aço inox.
Fonte: Abinox (2017).
Equipamentos
Bomba
A bomba escolhida para o sistema de bombeamento é uma bomba centrífuga 1,5 CV, monofásica 110/220V BC-92S 1B, Schneider. Ela é indicada para o transporte de fluidos não viscosos, como é o caso em questão (hexano) e pode trabalhar em vazões de 6,1 até 21,9 m³/h, se adequando ao objetivado nesse projeto (7 m³/h). Toda a seção e a caixa de engrenagens do modelo de bomba escolhido são feitas de aço inox, sendo adequado para o transporte de fluidos químicos. Alguns detalhes técnicos do modelo de bomba escolhido estão listadas abaixo: 
a. Linha: moto bomba sem intermediário 
b. Bocais com rosca BSP 
c. Caracol da moto bomba de ferro fundido GG-15 
d. Rotor fechado de alumínio 
e. Selo mecânico constituído de aço inox AISI-304, buna N, grafite e cerâmica
f. Motor elétrico IP-21 com flange incorporada, 2 Polos, 60 Hz
A Figura 8 ilustra a bomba escolhida.
	
Figura 8 - Design exterior de uma bomba BC-92S 1B. 
Fonte: Schneider® (2022).
	A vazão volumétrica é de 0,00194444 m³/s (ou 7 m³/h); altura da coluna de água de 21,89 mca; NPSH disponível de 22 m e NPSH requerido de 10,49 m. A potência exigida pela bomba é de 75 W.
MEMORIAL DE CÁLCULOS
Dimensionamento dos tanques
Para o cálculo de dimensão dos tanques, levou-se em consideração tanques com um volume total de 15 m³ e uma vazão de saída de 7 m³/h (equivalente a 0,0019 m³/s). Os tanques, um instalado na Sala 103, e outro no Laboratório de Leites, terão uma altura de 3,5 metros, visando respeitar os limites de altura do prédio. Além disso, levou-se em consideração uma velocidade máxima de 2,5 m/s para o transporte do fluido, visto que se trata de um líquido com baixa viscosidade. A partir da Equação 1 foi possível calcular a área dos tanques:
 	(1)
Onde:
A = área da seção transversal;
W = Vazão (0,0019 m³/s)
V1 = Velocidade do transporte do fluido (2,5 m/s).
	Sendo assim:
	Então, conhecendo a área dos tanques foi possível calcular o seu diâmetro a partir da Equação 2:
 	 (2) 
DIMENSIONAMENTO DA TUBULAÇÃO
Com os valores previamente calculados, pôde-se determinar o Schedule com o auxílio da Figura 9:
Figura 9 - Dimensões de tubos de aço.
Fonte: Geankoplis (1978).
	Com isso, escolheu-se o tubo com diâmetro nominal de 1 polegada, Schedule 40 (visto que não é necessária a maior resistência do Schedule 80), de diâmetro interno 0,0334 m e uma área de seção transversal 0,0005574 m², que atendia com êxito aos parâmetros calculados anteriormente.
DIMENSIONAMENTO DA BOMBA
Classificação do escoamento
O escoamento do fluido pode ser, de acordo com o número de Reynolds, laminar ou turbulento. Para determinar o tipo de escoamento, foi realizado o cálculo a partir da Equação 5:
 				(5)
Onde:
ρ = massa específica do hexano (655 kg/m³);
v = velocidade de escoamento (2,22 m/s)
D = diâmetro interno da tubulação (0,0334 m);
µ = viscosidade dinâmica do hexano (0,000326 Pa.s);
	Sendo assim:
	A classificação do escoamento do fluido depende do número de Reynolds, sendo que para ser classificado como laminar deve ser menor que 2000 e, para ser classificadocomo turbulento, maior que 2400. Desta forma, como foi obtido um Re de 148930,24, o escoamento do hexano no sistema de bombeamento foi classificado como turbulento.
Teorema de Bernoulli
Quando busca-se estudar a hidráulica de um sistema, o princípio de conservação de energia para os fluidos, proposto por Bernoulli, é utilizado como base. O Teorema de Bernoulli relaciona a energia cinética, a energia potencial gravitacional e a energia de pressão na linha de corrente do escoamento. Então, com o objetivo de calcular a altura manométrica (em metros de coluna de água), foi utilizada a Equação 6:
 		(6) 
Onde: 
∑F = somatório das perdas de carga distribuída e localizada;
v1 = velocidade de entrada (2,5 m/s);
v2 = velocidade de saída (2,22 m/s);
P1 = pressão na entrada da seção (101325 Pa);
P2 = pressão na saída da seção (202650 Pa);
z1 = altura na entrada da seção (3,5 m);
z2 = altura na saída da seção (2,59 m);
ρ = massa específica do hexano (655 kg/m³);
g = aceleração da gravidade (9,81 m/s²).
	Inicialmente, foi calculado o somatório das perdas de carga distribuídas e localizada, pelas Equações 7, 8 e 9:
 		(7)
Onde:
F1 = perda de carga distribuída;
F2 = perda de carga localizada.
 	(8)
Onde:
ϝ = coeficiente de atrito (0,015);
L = comprimento reto da tubulação (90,29 m);
D = diâmetro da tubulação (0,0334 m);
v = velocidade do fluido (2,5 m/s);
g = aceleração da gravidade (9,81 m/s²).
	Para o cálculo de F1 é necessário, anteriormente, encontrar o Fator de Atrito pelo Diagrama de Moody.
Figura 10 – Diagrama de Moody.
Fonte: Moody diagram. (Moody, 1944; reproduced by permission of ASME.)
Então, retornando à Equação 8:
 
 
	Então, para calcular as perdas de cargas localizadas:
 		(9)
Onde:
K = constante de perda de carga de acessórios;
v = velocidade do fluido (2,2 m/s);
g = aceleração da gravidade (9,81 m/s²).
A constante de perda de carga da válvula de esfera, dos joelhos de 90° e da válvula de retenção foi obtida através do k tabelado de Palmieri (1985), conforme a Figura 11.
Figura 11 - Constantes de perda de carga para acessórios.
Fonte: Palmieri (1985).
	E procedendo para a Equação 9:
	Número de Acessórios
	Joelhos
	3
	Válvula esfera
	2
	Válvula retenção
	1
	Constantes (k)
	k (joelhos)
	0,9
	k (válvula esfera)
	0,2
	k (válvula retenção)
	3
	Por fim, podemos retornar para a Equação 7 e calcular o somatório das perdas de carga distribuída e localizada:
	Com o somatório das perdas distribuída e localizada, pode-se calcular a altura manométrica através da Equação 6:
 	
	Então, calculou-se a cavitação da bomba, pela Equação 11:
 		(11)
Onde:
s = diferença de cotas na linha de sucção (2,29 m);
Pv = pressão de vapor do hexano (26664,5 Pa);
Pa = pressão ambiente (101325 Pa);
P1 = pressão atmosférica (101325 Pa);
g = aceleração da gravidade (9,81 m/s²);
ρ = massa específica do hexano (655 kg/m³);
∑F = somatório das perdas de carga distribuída e localizada (11,71).
	Sendo assim:
Net Positive Suction Head
O Net Positive Suction Head (NPSH) é o parâmetro calculado para medir a pressão atmosférica e a pressão da coluna de água, a fim de evitar que ocorra a cavitação (formação de bolhas de gás e de vapor no fluido) e que se possa diminuir as perdas num circuito hidráulico. Deve-se levar em conta dois aspectos: o NPSH disponível (NPSHd) e o NPSH requerido (NPSHr). A função do NPSHd é medir a pressão absoluta exercida pelo sistema na entrada da bomba; já a do NPSHr é medir a pressão mínima exigida na entrada da bomba para que não ocorra a cavitação. Para o cálculo do NPSHd foi utilizada a Equação 13:
 		(13)
Onde:
s = diferença de cotas na linha de sucção (2,29 m);
Pv = pressão de vapor do hexano (26664,5 Pa);
Pa = pressão ambiente (101325 Pa);
P1 = pressão atmosférica (101325 Pa);
g = aceleração da gravidade (9,81 m/s²);
ρ = massa específica do hexano (655 kg/m³);
hls = somatório das perdas de carga distribuída e localizada (11,71).
	Desta forma:
	Como o NPSHd deve ser maior que o NPSHr para a bomba trabalhar livre de cavitação, escolheu-se uma bomba que NPSHr < 10,4984 m.
	A bomba de engrenagem BC-92 S 1B de 1,5 cv foi escolhida devido às características hidráulicas. A Figura 12 apresenta alguns dados da bomba, disponibilizados pelo fornecedor, como temperaturas de atuação, viscosidade máxima do fluido, NPSH requerido, faixa de vazão volumétrica, etc.
Figura 12 - Dados de operação da bomba BC-92 S 1B.
Fonte: Schneider® (2022).
Figura 13 – Outros dados de operação da bomba BC-92 S 1B.
Fonte: Schneider® (2022).
REFERÊNCIAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DO AÇO INOXIDÁVEL. Laticínios com inox. Disponível em: < https://www.abinox.org.br/site/publicacoes-abinox-detalhes.php?cod=361>. Acesso em: 26 de abr de 2022.
BONJORNO, José Roberto; BONJORNO, Regina Azenha; BONJORNO, Valter; CLINTON, Márcico Ramos. Física História & Cotidiano. São Paulo: Editora FTD, 2004, volume único.
Brown, Glenn. (2002). The History of the Darcy-Weisbach Equation for Pipe Flow Resistance. Proc. Environ. Water Resour. Hist.. 38. 10.1061/40650(2003)4.‌
GEANKOPLIS, C. J. Transport processes and units operations. 3ª ed., 905 p. Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1978.
HEWITT, Paul G. Física Conceitual. Porto Alegre: Editora: Bookman, 2011, 11ª. ed. v. único.
PALÁCIO DAS FERRAMENTAS. Bomba Centrífuga 1,5 CV Monofásica 110/220V BC-92S 1B SCHNEIDER é na Palácio das Ferramentas. Disponível em: <https://www.palaciodasferramentas.com.br/produto/4480>. Acesso em: 23 abr. 2022.
PALMIERI, A. C. Manual de hidráulica básica, 5ª ed. Porto Alegre: Editora Racine Hidráulica Ltda., 1985.
PORTO, Rodrigo de Melo. Hidráulica Básica. 4ª Edição. EESC USP.
REYNOLDS, O. An experimental investigation of the circumstances which determine whether the motion of water shall be direct or sinnons, and of the law of resistance in parallel channels. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, n. 174, p. 935-982, 1883.
VIANA, D. Perda de carga: entenda o que é - Guia da Engenharia. Disponível em: <https://www.guiadaengenharia.com/perda-carga/>. Acesso em: 23 abr. 2022.