Como controlar o CO₂ na linha de produção de placas de XPS

Para entender melhor os macetes de cada unidade do sistema, vamos começar explicando o nosso fluxograma. O diagrama a seguir não é o P&ID real; é apenas um esboço que ajuda a entender como controlamos o CO₂. O P&ID real é bem mais complexo do que este e envolve dezenas de válvulas e outros acessórios.

Normalmente, o CO₂ de uso industrial é entregue por caminhões que transportam dezenas de toneladas de CO₂ líquido. Em seguida, o CO₂ é armazenado em um grande tanque com isolamento a vácuo, em geral de aproximadamente 25 toneladas. A temperatura do CO₂ dentro do tanque é de cerca de −20 °C, e a pressão fica entre 1,6 e 2,0 MPa. Quando uma variação da temperatura ambiente faz a pressão subir, o tanque libera CO₂ para se resfriar.

Como você sabe, um líquido é muito mais fácil de manusear do que um gás. Por isso, procuramos manter o CO₂ no estado líquido durante todo o processo. Como o CO₂ vaporiza com muita facilidade por causa da sua alta pressão de vapor, é preciso encontrar o equilíbrio entre pressão e temperatura.

Essa é a base do funcionamento do nosso sistema.

Usamos uma bomba booster que transfere o CO₂ líquido do tanque de CO₂ para o tanque intermediário. Esse tanque tem parede encamisada, o que permite controlar a sua temperatura com um termorregulador a água.

Mantenha a distância curta

Uma dica que preciso mencionar aqui: a distância entre o tanque de CO₂ e o tanque intermediário deve ser a menor possível. Como o CO₂ tende a vaporizar, quanto maior a distância, maior o risco de vaporização.

Para isso, recomenda-se instalar a bomba booster embaixo do tanque de CO₂. Mesmo assim, a vaporização ainda acontece de vez em quando.

Quando a bomba booster não consegue bombear

Quando a bomba booster não consegue bombear o CO₂ corretamente, é provável que tenha ocorrido vaporização. A válvula de descarga foi projetada para essa situação: abra-a e deixe sair o CO₂ vaporizado para baixar a temperatura do cabeçote da bomba booster.

Esse procedimento exige muito cuidado, porque, se a válvula de descarga for aberta demais, o CO₂ tende a virar gelo seco, que entope a tubulação e leva muito tempo para se desfazer.

Capacidade da bomba e tubulação

Para evitar essa situação, a capacidade da bomba booster deve ser dez vezes maior que a da bomba dosadora, de modo que a bomba booster não precise trabalhar o tempo todo, apenas periodicamente.

Recomenda-se também um tubo de descarga mais longo, que evita o congelamento da tubulação de entrada da bomba booster por gelo seco. Já o isolamento térmico da tubulação de todo o sistema contribui para um transporte de CO₂ mais uniforme e ainda economiza energia.

A função do tanque intermediário é manter o CO₂ a uma temperatura definida (cerca de 25 °C) para que a pressão de todo o sistema fique estável e alta o suficiente (6,5–7 MPa). Essas duas condições garantem propriedades físicas constantes do CO₂ e o deixam pronto para uma dosagem precisa na extrusora de dupla rosca. Como mencionei antes, a densidade do CO₂ varia quando a temperatura muda.

Alarme de nível a 70% do volume

O alarme de nível máximo de CO₂ no tanque intermediário não deve passar de 70% do volume total do tanque, para o caso de algum incidente, como uma queda de energia no verão em regiões quentes. Isso pode fazer a temperatura ambiente do tanque intermediário subir, e o CO₂ pode passar ao estado supercrítico, cujo comportamento é mais difícil de controlar e prever. Com isso, o volume de CO₂ aumenta muito. Se não houver espaço livre suficiente, o tanque intermediário pode correr perigo.

Por que 25 °C

Antes de entrar no tanque intermediário, o CO₂ é aquecido para garantir que fique na temperatura prevista dentro do tanque, normalmente 25 °C. Nessa temperatura, a pressão do tanque intermediário é de cerca de 6,5 MPa.

Por que essa temperatura? Na China, 10 MPa é o limite entre vasos de média e de alta pressão. Um vaso de alta pressão exige certificações mais complexas e custa mais. Assim, uma pressão de projeto de 7 MPa mantém o tanque intermediário na classe de média pressão.

Depois de passar pelo tanque intermediário, o CO₂ entra em um vaso de resfriamento, que baixa a sua temperatura para 10 °C. Nessas condições, 6,5 MPa e 10 °C, o CO₂ fica totalmente líquido. E quanto mais líquido, mais fácil de dosar. Nesse estado, o CO₂ pode ser dosado sem dificuldade na extrusora primária (extrusora de dupla rosca).

Um ponto importante: o cabeçote da bomba precisa ser resfriado por um chiller. Durante o funcionamento, os cabeçotes da bomba geram calor, que pode vaporizar o CO₂ líquido e prejudicar o processo.

Mesmo com todos os pontos acima resolvidos, ainda não há garantia de que o CO₂ será manuseado corretamente. Se algum trecho da tubulação retiver CO₂ vaporizado, o sistema não vai funcionar direito.

Nesse caso, abra a válvula de descarga com muita atenção para evitar a formação de grandes blocos de gelo seco. Recomenda-se fortemente instalar a válvula de descarga antes da válvula de injeção. Quando aparecer uma fumaça branca (pequenas partículas de gelo seco), pronto: feche a válvula. Agora o CO₂ está fluindo normalmente.

Essa é a nossa forma de controlar o sistema de CO₂. Ela leva em conta, ao mesmo tempo, a fabricação na China, o custo, a confiabilidade e a praticidade. Há outras formas que também controlam muito bem o CO₂. Por exemplo, os pacotes LINDE PRESUS e DSD também dosam o CO₂ com precisão. O nosso sistema simplesmente parte da premissa de usar componentes fabricados na China.

Bomba de pistão ou bomba de membrana

Pela nossa longa experiência, bombas de pistão fabricadas na China não têm nenhum problema para manusear CO₂. A desvantagem é que, com o tempo, o risco de vazamento de uma bomba de pistão chinesa é maior que o de uma bomba de membrana. Mas o CO₂ não é tóxico nem inflamável, então não há motivo para se preocupar com esse risco. Além disso, as vedações são muito baratas e fáceis de encontrar. A troca das vedações pode entrar como rotina na manutenção.

Já os agentes expansores inflamáveis, como HFC152a, etanol, éter dimetílico (DME) e isobutano, são mais bem manuseados por bombas de membrana.

Sistema de CO₂ do nosso laboratório de extrusão de espuma

O nosso laboratório de extrusão de espuma usa outro sistema, que manuseia muito bem pequenas quantidades de CO₂, mas hoje ele é usado apenas em laboratório. Esse sistema resfria o CO₂ a −20 °C para mantê-lo totalmente líquido com pouca pressão. Normalmente, ele trabalha com um cilindro de CO₂ que contém apenas algumas dezenas de quilos de CO₂. É relativamente barato e fácil de operar.

Em resumo, o ideal é manter o CO₂ totalmente líquido durante todo o processo de manuseio.

Quanto à chamada linha de produção de placas de XPS com CO₂ supercrítico, o nome vem do fato de o CO₂ passar ao estado supercrítico quando é injetado no cilindro, onde a temperatura fica em torno de 200 °C. O nome não tem nada a ver com o processo de manuseio.