Vários esquemas de controle de temperatura para equipamentos em formato de tanque e suas aplicações

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Este tópico foi editado pela última vez por yunrun em 31/07/2019, às 19:19. Em resumo, o controle de temperatura em equipamentos de tipo tanque consiste no processo de fazer com que a temperatura do material aumente ou diminua, de acordo com a temperatura desejada. Este artigo analisa as vantagens e desvantagens de vários métodos de controle de temperatura em equipamentos de tipo tanque, visando fornecer uma referência para esse tipo de controle. Existem geralmente várias maneiras de regular a temperatura dos materiais em equipamentos em formato de tanque: ① Colocar o meio de aquecimento ou resfriamento em contato direto com os materiais ； ②Transferência de calor por meio do revestimento externo do tanque ； ③Use um trocador de calor. Durante o processo de regulação da temperatura, o controlador de temperatura utiliza os sinais de temperatura enviados pelos sensores para controlar o tempo e a intensidade com que o meio de aquecimento ou resfriamento é aplicado, visando assim controlar a temperatura dos materiais dentro do tanque, de acordo com as exigências do processo. Geralmente, a escolha do método de controle de temperatura é determinada pela estrutura dos equipamentos em formato de tanque, pelas condições de processo e pelo investimento necessário. A Changhui Instruments apresenta alguns dos métodos mais comuns de controle de temperatura em equipamentos de tipo tanque, para servir de referência a todos. 1. Sistema de controle de temperatura que permite a passagem de um meio de aquecimento ou resfriamento pelo revestimento do tanque. O princípio por trás desse sistema é o troca térmica por meio de uma parede sólida; nesse caso, os fluidos quentes e frios são separados por essa parede sólida, e o calor é transferido através dela. Nesse design, o vapor e o refrigerante são direcionados diretamente para o revestimento externo do tanque. Devido às diferenças de temperatura entre esses fluidos e o material dentro do tanque, ocorre transferência de calor através da parede do tanque, fazendo com que a temperatura do material aumente ou diminua. O sistema utiliza a duração e a intensidade do vapor ou do fluido refrigerante aplicado para controlar a temperatura dos materiais armazenados nos tanques. Os sistemas de controle de temperatura, que utilizam um meio de aquecimento ou resfriamento no revestimento do tanque, são amplamente usados no controle da temperatura de tanques para preparação de soluções e tanques de armazenamento de materiais, bem como em alguns tanques de reação. ①Sistema de controle de temperatura sem retorno do gás refrigerante. O sistema de controle de temperatura sem retorno do gás refrigerante é mostrado na Figura 1. Quando não é necessário controlar a temperatura do material, nenhum vapor ou gás refrigerante é introduzido no revestimento interno. Quando é necessário elevar a temperatura do material dentro do tanque ou mantê-la em nível elevado, o vapor é introduzido pela interface superior do revestimento externo. Ao entrar em contato com as paredes do tanque, que têm temperatura mais baixa, o vapor libera calor e se condensa em líquido. Sob a ação da gravidade, esse líquido escorre ao longo das paredes do tanque. Ao mesmo tempo, o calor é transferido para o material dentro do tanque, fazendo com que sua temperatura aumente ou seja mantida em nível elevado. Quando o controle de temperatura é concluído, cessa o fornecimento de vapor. Em seguida, ar comprimido é introduzido pela parte superior do revestimento interno, a fim de expelir o vapor e a água condensada remanescentes no mesmo. Após a limpeza completa, o ar comprimido é desligado. Quando o material dentro do tanque precisa ser resfriado ou mantido em baixa temperatura, o refrigerante é introduzido pela interface inferior do revestimento externo do tanque. Ao entrar em contato com as paredes do tanque, que estão a uma temperatura mais alta, o refrigerante absorve calor por meio da transferência de calor. Com a entrada e saída contínua do refrigerante, o material é resfriado. Quando o processo de resfriamento terminar, pare o fornecimento do gás refrigerante. Em seguida, introduza ar comprimido pela parte superior do revestimento interno, a fim de expelir o gás refrigerante restante para o sistema de drenagem. Depois que tudo estiver limpo, desligue o ar comprimido. É necessário instalar válvulas de segurança nos circuitos do revestimento, para evitar acidentes devido a pressões excessivas nesse revestimento. É necessário instalar sensores de temperatura dentro do tanque, para monitorar a temperatura em tempo real dos materiais. É necessário instalar uma válvula de drenagem de água de condensação no local de descarte, para garantir que a água de condensação seja drenada corretamente. Por razões relacionadas à precisão no controle da temperatura, é necessário utilizar um controlador de temperatura para regular o tempo e a intensidade do fluxo de vapor ou fluido refrigerante no revestimento interno, além de realizar ajustes em tempo real, de acordo com a temperatura atual dos materiais. Os sistemas de controle de temperatura sem recirculação do refrigerante são amplamente utilizados na indústria farmacêutica para o controle da temperatura em tanques de preparo de soluções com água como meio de resfriamento, bem como em tanques de armazenamento de materiais, além do controle de temperatura em alguns tanques de reação. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310102131689.png Figura 1: Sistema de controle de temperatura sem recirculação do refrigerante. ② Sistema de controle de temperatura com recirculação do refrigerante. Quando é necessário reutilizar o máximo possível do refrigerante, a fim de reduzir os custos operacionais ou a emissão de poluentes, o refrigerante que permanece no revestimento interno após a troca de calor não é descartado diretamente, mas sim recuperado por meio de tubulações de recirculação. O sistema de controle de temperatura para o retorno do gás refrigerante é mostrado na Figura 2. Nesse esquema, foram adicionados tubos de retorno do gás refrigerante em locais adequados. O controle do processo de aquecimento e manutenção da temperatura dos materiais é semelhante ao sistema de controle de temperatura em que o gás refrigerante não é recirculado. Quando o controle da temperatura é concluído, cessa o fornecimento do gás refrigerante. Em seguida, ar comprimido é introduzido pela parte superior do revestimento interno, a fim de expelir o gás refrigerante restante para os tubos de refluxo, onde ele pode ser recolhido. Na produção farmacêutica, quando o meio de resfriamento dos equipamentos em forma de tanque não é água, mas sim soluções como etilenglicol, pode-se utilizar este projeto de design. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310112086229.png Figura 2: Sistema de controle de temperatura para o retorno do fluido refrigerante. 2. Sistema de controle de temperatura em que o meio de aquecimento ou resfriamento é introduzido diretamente no tanque. O princípio desse sistema é a troca de calor por mistura; sua característica principal é que os fluidos quentes e frios se misturam diretamente dentro do tanque, permitindo assim a troca de calor. Nesse design, o vapor e o fluido refrigerante são introduzidos no tanque, onde se misturam diretamente com a matéria-prima, permitindo a transferência de calor e, assim, elevando ou mantendo a temperatura da matéria-prima. Em comparação com o método de controle da temperatura do revestimento externo, este design apresenta um aumento significativo no coeficiente de transferência de calor e na área de troca de calor, possuindo vantagens como alta taxa de transferência de calor e menor complexidade no equipamento. O sistema controla a duração e a intensidade do vapor ou do fluido refrigerante fornecidos, a fim de controlar a temperatura dos materiais dentro do tanque. Mas o meio de aquecimento ou resfriamento desse sistema, por entrar em contato direto com a matéria-prima, precisa passar por uma avaliação de riscos, a fim de garantir que não tenha impactos negativos na qualidade da matéria-prima. O sistema de controle de temperatura, no qual o meio de aquecimento ou resfriamento é introduzido diretamente dentro do tanque, é mostrado na Figura 3. Quando não é necessário controlar a temperatura do material, nenhum vapor ou fluido refrigerante é introduzido no tanque. Quando é necessário elevar a temperatura do material dentro do tanque ou mantê-la em nível elevado, o vapor é introduzido através da interface de vapor. Ao entrar em contato com o material de temperatura mais baixa, o vapor libera calor e se condensa em líquido, o que permite elevar ou manter a temperatura do material. Ao mesmo tempo, a água condensada permanece no tanque, misturando-se com o material. Quando o aquecimento terminar, pare o fornecimento de vapor. Quando é necessário resfriar o material dentro do tanque ou mantê-lo em baixa temperatura, o refrigerante é introduzido a partir da superfície de refrigeração. Ao entrar em contato com o material de temperatura mais alta, o refrigerante absorve calor, permitindo assim que o material seja resfriado ou mantido em baixa temperatura. Ao mesmo tempo, o refrigerante permanece no tanque, misturando-se com o material. Quando a temperatura começar a cair, pare o fornecimento de refrigerante. Como a água de condensação do vapor e o refrigerante permanecem no tanque após serem adicionados, ao utilizar este método para controle de temperatura, é necessário levar em consideração a quantidade de vapor e refrigerante a ser adicionada para se alcançar o efeito desejado de controle de temperatura. Esse sistema pode ser utilizado para o controle de temperatura de materiais para os quais não é necessária alta precisão de controle, e que também não são sensíveis à temperatura. Além disso, pode ser usado para o controle de temperatura em tanques utilizados no tratamento de resíduos. Por exemplo, nos tanques de inativação de resíduos contaminados com bactérias presentes nas fábricas de produção de medicamentos à base de proteínas recombinantes, pode-se utilizar este sistema de controle de temperatura. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310123583701.png Figura 3: Sistema de controle de temperatura em que o meio de aquecimento ou resfriamento é introduzido diretamente no interior do tanque. 3. Sistema de controle de temperatura indireto, por meio de um circuito de controle de temperatura. O princípio desse sistema de controle de temperatura indireto é a troca de calor por meio de uma parede intermediária. Para funcionar, esse sistema precisa de um circuito de controle de temperatura, composto por revestimentos externos, tubulações, bombas, trocadores de calor, controladores de temperatura e sensores de temperatura. O circuito de controle de temperatura está repleto de um meio termoportador, que circula continuamente sob a ação da bomba. Ao passar pelo revestimento externo do tanque, esse meio realiza troca de calor com o material contido nele, permitindo assim aumentar ou diminuir a temperatura do material, ou mantê-la sob controle. O meio transportador de calor pode ser água, ou também óleo térmico, entre outros. O sistema regula a temperatura do meio térmico por meio de trocadores de calor, e controla a temperatura dos materiais dentro do tanque por meio de troca de calor entre as paredes do revestimento do tanque. O sistema precisa de válvulas para a substituição e reposição do fluido calorífico, além de tanques de expansão para manter a pressão do fluido calorífico estável no circuito. O sistema de controle de temperatura, que utiliza um circuito de controle de temperatura para regular a temperatura indiretamente através do revestimento externo, é mostrado na Figura 4. Quando não é necessário controlar a temperatura do material, o circuito de controle de temperatura pode ficar desativado ou operar sem realizar nenhum controle de temperatura. Quando é necessário elevar a temperatura do material dentro do tanque ou mantê-la em nível elevado, o agente transportador de calor no circuito de controle é aquecido. Em seguida, esse agente transporta o calor através do revestimento externo do tanque, transmitindo-o ao material que se encontra dentro dele, permitindo assim que a temperatura do material seja elevada ou mantida em nível elevado. Quando é necessário resfriar o material dentro do tanque ou mantê-lo em baixa temperatura, o agente transportador de calor no circuito de controle é resfriado. Em seguida, esse fluido a baixa temperatura flui pelo revestimento externo do tanque, retirando o calor do material contido nele, assim permitindo que o material seja resfriado ou mantido em baixa temperatura. Quando o controle de temperatura é concluído, para-se a operação da bomba no circuito de controle de temperatura ou o controle da temperatura do meio termoportador, interrompendo assim o controle de temperatura do material. Se necessário, também é possível instalar entradas de ar comprimido no circuito, para realizar a purga de todo o circuito ou da parte do revestimento. A temperatura do material dentro do tanque é controlada por meio de um agente transportador de calor localizado no revestimento externo do tanque. Esse agente transportador de calor é, por sua vez, controlado pelos trocadores de calor presentes no circuito de controle de temperatura. O processo exige duas trocas de calor através das paredes do tanque; por isso, a eficiência da troca de calor não é alta. No entanto, esse sistema permite um controle de temperatura bastante preciso. Como o circuito de controle de temperatura não entra em contato direto com a matéria-prima, não é necessário que os componentes atendam a requisitos de design higiênico, o que reduz o custo de construção. Um sistema de controle de temperatura que utiliza um circuito de controle de temperatura para regular indiretamente a temperatura do revestimento interno é geralmente utilizado em processos de produção farmacêutica em que é necessária alta precisão na temperatura, além de um controle contínuo por longos períodos de tempo. Além disso, esse tipo de sistema é adequado para situações em que os materiais não devem ser agitados intensamente. Exemplos disso são os tanques de esterilização por Pasteur ou S/D utilizados na produção de produtos sanguíneos. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310135175535.png Figura 4: Sistema de controle de temperatura por meio de um circuito de controle térmico, com controle indireto através do revestimento do tanque. 4. Sistema de controle de temperatura por meio de um circuito de controle térmico, com controle direto dentro do tanque. O princípio desse sistema de controle de temperatura é o troca de calor por meio de uma parede separadora. Esse sistema é composto por um circuito de controle térmico e por equipamentos como tanques, tubulações, bombas, trocadores de calor e instrumentos de medição. Os materiais são armazenados em tanques, e, por meio de bombas, circulam continuamente no circuito de controle de temperatura. Ao passar pelo trocador de calor, eles são aquecidos ou resfriados, e depois retornam aos tanques para se misturarem com outros materiais. Os sensores de temperatura presentes nos tanques permitem ajustar o tempo e a intensidade do fluxo de vapor ou fluido refrigerante no trocador de calor, possibilitando assim o controle da temperatura dos materiais. O sistema de controle de temperatura que permite um controle direto da temperatura dentro do tanque, por meio de um circuito de controle de temperatura, é mostrado na Figura 5. Quando não é necessário controlar a temperatura do material, o circuito de controle de temperatura pode ficar desativado ou operar sem realizar nenhum controle de temperatura. Quando é necessário controlar a temperatura do material dentro do tanque, a bomba presente no circuito é acionada, fazendo com que o material circule dentro dos equipamentos do tanque e no circuito de controle de temperatura. O material é aquecido ou resfriado ao passar pelo trocador de calor, e depois retorna ao tanque para se misturar com outros materiais. Dessa forma, a temperatura do material é regulada ou mantida em um nível adequado, por meio de ciclos contínuos. Neste projeto, a temperatura do material dentro do tanque é controlada por meio de um trocador de calor, que permite o aquecimento ou resfriamento direto. Nesse processo, é necessário apenas um único intercâmbio térmico, o que resulta em alta eficiência no troca de calor. Além disso, este sistema também permite um controle de temperatura muito preciso. Nesse design, os materiais precisam circular em um circuito de controle de temperatura. Portanto, todas as partes do sistema que entram em contato com esses materiais devem atender aos requisitos da GMP, para que não haja nenhum impacto negativo na qualidade dos medicamentos. Isso acaba aumentando os custos de construção e manutenção. O sistema de controle de temperatura que permite um controle direto da temperatura dentro do tanque, por meio de um circuito de controle de temperatura, é adequado para sistemas em que é necessário armazenar o material de forma centralizada e fornecê-lo simultaneamente para vários pontos de uso. É também útil em sistemas onde há exigências elevadas em relação à temperatura, além da necessidade de resistir a agitações intensas. Exemplos disso são os sistemas de distribuição de água para fins farmacêuticos e os sistemas de etanol a baixa temperatura utilizados na produção de produtos sanguíneos. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310152492161.png Figura 5: Sistema de controle de temperatura que permite o controle direto da temperatura dentro do tanque, por meio de um circuito de controle de temperatura. Análise de aplicação: Diferentes processos de produção exigem diferentes níveis de controle de temperatura para os materiais. Portanto, os projetistas devem escolher soluções de projeto adequadas para cada condição específica. Os vários esquemas de design mencionados acima são os esquemas básicos. Na prática, além de se poder usar um determinado esquema de design isoladamente, também é possível simplificá-lo ou combinar diferentes esquemas de design entre si. A seguir, são apresentados alguns exemplos de soluções típicas: ① Tanques de armazenamento de soluções. Os tanques convencionais para armazenamento de soluções geralmente precisam apenas de função de resfriamento; a temperatura não precisa exceder um valor especificado. Nesse caso, é possível simplificar o sistema de controle de temperatura, permitindo que o meio de aquecimento ou resfriamento seja direcionado diretamente ao revestimento do tanque, mantendo-se apenas a função de resfriamento. Isso pode ser visto na Figura 6. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310157545181.png Figura 6: Projeto de controle de temperatura para tanques de armazenamento de soluções que necessitam apenas de função de resfriamento. ② Tanque de inativação de resíduos biológicos: O tanque de inativação de resíduos biológicos pode ser projetado com um sistema de controle de temperatura que permite a introdução direta de meio de aquecimento ou resfriamento no interior do tanque, além de um sistema de controle de temperatura que utiliza o meio de aquecimento ou resfriamento aplicado ao revestimento externo do tanque. Dessa forma, o vapor é introduzido no tanque para aquecê-lo, enquanto o meio refrigerante é utilizado para resfriar o revestimento externo. Isso aumenta tanto a velocidade de inativação dos resíduos quanto a quantidade de resíduos que podem ser processados por lote. Veja a Figura 7 para mais detalhes. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310201461155.png Figura 7: Temperatura dos tanques de inativação de resíduos biológicos com aquecimento direto e resfriamento indireto. ③ Equipamentos de tanque com processos mais complexos: Em alguns equipamentos de tanque com processos mais complexos, como os tanques de fermentação, e desde que o meio de cultivo não seja sensível à temperatura, pode-se utilizar um sistema de controle de temperatura que combine o uso de meios de aquecimento ou resfriamento diretamente no revestimento do tanque, com um sistema de controle de temperatura indireto por meio de circuitos de controle de temperatura. Isso pode ser visto na Figura 8. São adicionados pontos de conexão para vapor e fluido refrigerante no circuito de controle de temperatura. Durante a esterilização do meio de cultivo, é utilizado um sistema de controle de temperatura que permite a passagem direta de meios de aquecimento ou resfriamento pelo revestimento interno, aumentando assim a eficiência da troca de calor e reduzindo o tempo necessário para o processo. Já durante o cultivo em fermentação, é utilizado um sistema de controle de temperatura que permite um controle indireto por meio de um circuito de regulação de temperatura, garantindo assim a estabilidade e precisão da temperatura de cultivo, para que a produção seja realizada de acordo com os procedimentos estabelecidos. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310209083062.png Figura 8: Projeto de controle de temperatura em tanques de fermentação, para esterilização rápida do meio de cultivo e controle preciso da temperatura durante o processo de fermentação. Além das condições mencionadas acima, existem muitas outras condições que podem afetar o controle de temperatura nos equipamentos em forma de tanque. Na engenharia de projetos de sistemas de controle de temperatura para equipamentos em tanques, é necessário, sob a premissa de atender aos processos de produção, levar em consideração os custos de construção e as exigências regulatórias, a fim de desenvolver sistemas de controle de temperatura que atendam a todos os requisitos. As ideias de projeto e os modos de funcionamento de vários sistemas de controle de temperatura descritos no texto foram bem aplicados no processo de produção real. Além disso, esses esquemas de controle podem servir como referência para o desenvolvimento de soluções de controle de temperatura. Autor: Yan Liujun Fonte: Biblioteca Técnica yunrun.com.cn/tech/