FENÔMENO DE “THERMAL BREATHING” (RESPIRAÇÃO) EM TANQUES DE ESTOCAGEM ATMOSFÉRICOS – Eng.Carlos Eduardo Pantoja

CONSIDERAÇÕES ACERCA DO FENÔMENO DE “THERMAL BREATHING”(RESPIRAÇÃO) EM TANQUES DE ESTOCAGEM ATMOSFÉRICOS DE LÍQUIDOS ORGÂNICOS VOLÁTEIS (VOC) E SEU IMPACTO SOBRE O PROJETO DE SIS- TEMAS DE CAPTAÇÃO E TRATAMENTO DOS GASES EMITIDOS

AUTOR : Eng.Carlos Eduardo Pantoja – PROTECH ENGENHARIA

1.OBJETIVO

Este estudo tem por objetivo padronizar o conhecimento dos envolvidos em projetos de sistemas de captação e tratamento de gases emitidos por tanques de estocagem atmosféricos no que diz respeito às emissões gasosas pelo efeito“thermalbreathing” (respiração), além de analisar o impacto deste tipo de emissão no projeto destes sistemas. Este estudo também tem por objetivo fazer uma análise crítica das ferramentas disponíveis para quantificação de tais emissões, além de apresentar uma sugestão “própria”de modelo matemático para simular o fenômeno de “thermal breathing” do ponto de vista do“projetista”do sistema de tratamento, já que os modelos atualmente disponíveis têm objetivos diversos, tais como o dimensionamento de dispositivos de segurança para tanques de estocagem, inventário de emissões gasosas para informação a agências de controle ambiental,etc.

2.INTRODUÇÃO

É de conhecimento geral que os tanques de estocagem de teto fixo“respiram”. Durante o decorrer do dia,à medida que a temperatura ambiente aumenta, o espaço- vapor do tanque sofre expansão térmica, que pode ser percebida pelo aumento da pressão interna do tanque. Contribui também para o aumento da pressão interna o aumento da pressão parcial do vapor do líquido estocado no espaço-vapor do tanque,à medida que a temperatura ambiente aumenta. Como os tanques atmosféricos podem suportar pressões positivas muito baixas(da ordem de 200 –300 mmca), são providos de sistemas de alívio, de forma a manter sua pressão interna dentro dos limites de projeto.Durante a noite,quando a temperatura ambiente diminui, o espaço- vapor do tanque se contrai, diminuindo a pressão interna do mesmo e provocando a entrada de ar ou gás de inertização pelo sistema de alívio, de forma a manter a integridade mecânica do tanque e evitando assim o colapso do mesmo.

Pela simples análise do fenômeno descrito acima se pode concluir que, de início, as seguintes variáveis terão influência sobre a quantidade e qualidade dos gases emitidos para a atmosfera: volume do espaço-vapor do tanque(e portanto seu diâmetro, altura,tipo de teto,altura do líquido estocado),variação da temperatura ambiente ao longo do dia,volatilidade do líquido estocado, existência de sistema de inertização,etc.

Pelos motivos acima expostos, é bastante razoável, portanto, esperar que a quantidade e a composição dos gases emitidos por um dado tanque ao longo do tempo seja bastante variável. A predição da vazão e composição dos gase semitidos dependerá sempre do estabelecimento de“cenários”de comportamento das variáveis que influenciam o fenômeno.Não existirão valores“exatos”neste tipo de análise. Cada“usuário”dos resultados da análise deverá estabelecer o cenário mais adequado ao seu objetivo, seja este o projeto da tubulação de venteio, a determinação do poder calorífico dos gases emitidos, o dimensionamento de dispositivos de segurança para tanques de estocagem,etc.

3.ESTIMATIVA DAS EMISSÕES POR RESPIRAÇÃO

3.1.Normas e Modelos Disponíveis –API VentingStandard 2000

Sem dúvida alguma a norma mais conhecida e utilizada internacionalmente para o cálculo das vazões de emissões gasosas produzidas por “thermal breathing” é a API Venting Standard 2000, editada pelo American Petroleum Institute.Esta norma é atu almente utilizada por todos os tradicionais fabricantes de sistemas de proteção e alívio de tanques de estocagem atmosféricos,tais como Protectoseal, Protego, Enardoe Asca,entre outros.Por tratar-se de norma criada para fins de segurança, é de se prever que as vazões de alívio calculadas de acordo com esta norma sejam bastante conservativas.Além, disto, como toda boa norma, é bastante simples no aspecto de cálculo,já que faz uma série de hipóteses simplificadoras.De fato,esta norma divide os líquidos em apenas dois grandes grupos: aqueles com flashpoint inferior a100ºF e os demais.Para o cálculo da vazão de emissão por respiração, além do flashpoint, necessita-se apenas do volume útil do tanque.De posse destes dados, entra-se em uma tabela e determina-se a vazão de alívio, expressa em pés cúbicos de ar por hora nas condições standard(14,7psia  e 60ºF). Nenhuma propriedade física adicional do líquido em questão é necessária, ou mesmo as condições climáticas do site onde o tanque será instalado.Tudo isto já está de alguma forma “implícito” na norma.

As vazões de alívio obtidas pela API2000 para o caso de líquidos com flashpoint inferiores a100ºFchamam a atenção por seus altíssimos valores. Nenhum“cálculo de pro cesso”que pretenda estimar tais vazões produz valores se quer próximos dos encontrados por esta norma. Atribuímos esta“discrepância” ao caráter de segurança da norma, que é em última análise o motivo pelo qual a API2000 foi criado. Antes desta norma, um grande número de tanques de estocagem nos E.U.A. era“vítima”de problemas estruturais devidos à pouca atenção dada ao dimensionamento de seus sistemas de venteio.Além disto, é até compreensível o conservadorismo da norma, por tratar-se de país de dimensões continentais e com grandes diferenças climáticas entre suas diversas regiões, indo do praticamente desértico ao praticamente polar. Na dúvida,a norma superestima a vazão de alívio, base para o dimensionamento das linhas de venteio e equipamentos de proteção, tais como válvulas de alívio de pressão e vácuo,flame arrester setc.A probabilidade de um tanque de estocagem instalado em qualquer ponto do planeta com sistema de venteio dimensionado de acordo com a API2000 vir a ter problemas estruturais por falta de vazão de alívio de pressão ou vácuo é praticamente zero.

De fato,uma pesquisa mais aprofundada na norma API2000 nos mostra que, na determinação da vazão de alívio por thermalbreathing,a mesma considera uma variação de 100ºF/hora (!!!!!) na temperatura do espaço-vapor do tanque.

Pelos motivos expostos acima, a utilização da API2000 para finalidades diversas ao projeto de sistemas de proteção e segurança de tanques de estocagem é desaconselhada pelo próprio American Petroleum Institute. Apesar de isto não estar explícito na norma,no website doAPI, na parte onde se encontram as technical interpretations da snormas deste Instituto,podemos encontrar o seguinte:“Some ofthe criteria for sizing a vapor recovery system(such as the level of conservatismus edinsizing a vapor recovery system(such as the level of conservatismus ed inestimating the maximum ventin grates)may differ from that us edinsizing relief systems. The task force believes that designing a vapor recovery system that can handle the vent capacities in accordance to API2000 may result in excessive capacity that will rarely,ifever,be used”.

3.2.Normas e Modelos Disponíveis-Compilation of Air Pollutant Emission Factors:AP-42,Fifth Edition,VolumeI,Chapter7:LiquidStorageTanks

Mais recentemente,a EPA(Environment Protection Agency)dos E.U.A.desenvolveu, em conjunto com o American Petroleum Institute, um modelo matemático para predi ção das emissões gasosas de tanques de estocagem atmosféricos.Atualmente, qualquer empresa americana que deseje manusear ou estoca rlíquidos orgânicos voláteis deve, para obter seus permits para instalação e funcionamento, preparar inventários de suas emissões gasosas com base nos modelos propostos pela AP-42.

Trata-se de modelo bem mais sofisticado que o API2000. OAP-42 leva em consideração,no cálculo das quantidades de gases emitidos, todas as variáveis envolvidas no fenômeno de termalbreathing:dimensões do tanque de estocagem, altura média de líquido no mesmo,propriedades físicas específicas do líquido estocado, condições climáticas do site, etc.Entretanto, como o enfoque do AP-42 é o de quantificar quantidades médias de poluentes emitidos para a atmosfera, os resultados obtidos são sempre expressos em termos de [kg/ano], ou no máximo[kg/dia].De fato, o AP-42 trabalha com temperaturas ambiente médias,taxas médias de insolação,etc.Caso se deseje utilizar os resultados da AP-42 para outras finalidades que não o inventário de emissão de poluentes gasosos,hipóteses adicionais devem ser assumidas.

Pacotes de softwares para estimativa de emissões gasosas utilizam largamente as equações do AP-42.É o caso, inclusive, do Emission Máster 6.0, talvez o software mais difundido para este tipo de aplicação.

3.3.Proposta Para Desenvolvimento de Modelo Matemático

Como pudemos observar nos itens anteriores, os modelos disponíveis para cálculo de emissões atmosféricas de tanques de estocagem pelo efeito de respiração são direcionados para objetivos bastante específicos.Como vimos,se simplesmente utilizarmos os resultadosdo API-2000 para projetar um sistema de captação e tratamento de gases obteremos um sistema absolutamente superdimensionado.Por outro lado, a utilização do AP-42 para efeito de projeto sempre dependerá da assunção de hipóteses adicionais,de forma a contornar o caráter “médio” desta norma.

Foi com base na carência de um modelo mais flexível, que permita uma melhor manipulação das variáveis envolvidas no fenômeno, que iniciamos o processo de criação de um modelo que atenda aos mais variados objetivos: seja ele a determinação da vazão de pico para uma dada emissão de forma a dimensionar as tubulações para transporte dos gases emitidos, seja a investigação da vazão e composição dos gases emitidos em diversas situações do dia-a-dia, de forma a estabelecer parâmetros mínimos e máximos de projeto para equipamentos (dutos,queimadores,blowers etc.).