Trabalho de operações unitárias II Válvulas de controle de processos

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Trabalho de operações unitárias II: Válvulas de 
controle de processos 
 
 
 
 
 
Herbert Leite de Souza 01210331 
 
 
 
Turma: EQui 8UNA 
São José dos Campos - SP 
Universidade do Vale do Paraíba - UNIVAP 
2015 
 
 
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1. INTRODUÇÃO 
Apesar de nem sempre receber a devida atenção, a escolha do elemento final de controle 
mais adequado é de grande importância para o bom desempenho de uma malha de controle, 
pois ele é o responsável pela modificação de valores diversos para que a variável sob controle 
seja mantida no valor desejado. Existem diversos tipos de elementos finais de controle, tais 
como resistências elétricas, bomba e motor, porém, sem dúvida a de maior uso e por isto a mais 
importante é a válvula de controle. 
Por definição válvulas são dispositivos destinados a estabelecer, controlar e interromper 
o fluxo em uma tubulação, ou seja provoca uma obstrução na tubulação para permitir o controle 
da vazão. A obstrução forçada pode ser parcial ou total, manual ou automátizada. Em outras 
palavras étodo dispositivo que através de uma parte móvel abra, obstrua ou regule uma 
passagem através de uma tubulação. Seu objetivo principal é a variação da razão do fluxo. 
Suas principais aplicações são: 
 serviço de liga-desliga 
 serviço de controle proporcional 
 prevenção de vazão reversa 
 controle e alivio de pressão 
 controle de vazão direcional 
 serviço de amostragem 
 limitação de vazão 
 selagem de saídas de vasos 
 De todas estas aplicações, a mais importante se relaciona com o controle automático e 
contínuo do processo. 
De modo geral, todos os processos químicos utilizam válvulas para uma operação correta 
e eficiente, permitindo, assim, o máximo aproveitamento do capital investido, com retorno em 
lucratividade da produção. 
A escolha incorreta de um equipamento ou acessório pode fazer com que o tempo de 
retorno do capital seja longo, podendo inviabilizar a continuidade da operação. Tal situação 
pode exigir a substituição de determinado equipamento ou acessório, para que seja estabelecida 
a produtividade necessária esperada. 
As válvulas de um processo chegam em média a valer 5% do preço total de um processo 
químico, número expressivo que comprova a importância da sua correta utilização. 
 
 
 
 
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2. CLASSIFICAÇÃO DA VÁLVULA SEGUNDO SEU PRINCÍPIO DE 
ACIONAMENTO 
a) Manual 
A operação da abertura e fechamento a ser realizada é feita pelo homem. 
b) Auto-reguladora 
A operação de abertura e fechamento é realizada utilizando a energia contida no fluido. 
c) Controle 
Utiliza-se uma força auxiliar para operação e, o acionamento é feito de acordo com os 
sinais provenientes dos controladores. 
Uma válvula de controle consiste basicamente de dois conjuntos principais o corpo e o 
atuador. 
O corpo e a parte da válvula que executa a ação de controle permitindo maior ou menor 
passagem do fluido no seu interior, conforme a necessidade do processo. O conjunto do corpo 
divide-se basicamente nos seguintes subconjuntos: 
a) corpo propriamente dito 
b) internos 
q) castelo 
d) flange inferior 
Nem todos os tipos de válvulas possuem obrigatoriamente o seu conjunto do corpo 
formado por todos os subcomponentes acima mencionados. Em algum tipo de válvulas, corpo 
e castelo formam uma só peça denominada apenas corpo; em outros nem existe o flange 
inferior. 
 Sendo o conjunto do corpo, a parte da válvula que entra em contato direto com fluido, 
deve satisfazer os requisitos de pressão, temperatura e corrosão do fluido. Trata-se portanto de 
um vaso de pressão e como tal deve ser considerado. 
3. CLASSIFICAÇÃO DE VÁLVULAS EM FUNÇÃO DO CORPO 
O corpo de uma válvula, independente do tipo, é sempre a parte inferior onde fica situada 
a sede fixa (bocal), as conexões para acoplar a válvula à tubulação, além de permitir o acesso 
aos componentes internos, através da retirada do castelo. 
 
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Os tipos de válvulas são classificados em função dos respectivos tipos de corpos, e 
portanto, quando estivermos falando de tipos de válvulas subentenderemos tipos de corpos. 
Podemos agrupar os principais tipos de válvulas em dois grupos: 
1) Deslocamento linear 
 Globo Convencional 
 Globo Tres vias 
 Globo Gaiola 
 Globo Angular 
 Diafragma 
 Bi partido 
 Guilhotina 
 
2) Deslocamento rotativo 
 Borboleta; 
 Esfera; 
 Obturador Excentrico; 
 Segmento de Esfera. 
Define-se por válvula de deslocamento linear, a válvula na qual a peça móvel vedante 
descreve um movimento retilíneo, acionada por uma haste deslizante; enquanto que uma 
válvula de deslocamento rotativo é aquela na qual a peça móvel vedante descreve um 
movimento de rotação acionada por um eixo girante. 
Para cada tipo de processo ou fluído sempre temos pelo menos um tipo de válvula que 
satisfaça os requisitos teóricos de processo, independente da consideração econômica. Cada um 
desses tipos de válvulas possuem as suas vantagens, desvantagens e limitações para este ou 
aquele processo. 
4. TIPOS DE VÁLVULAS 
4.1 Deslocamento linear 
4.1.1 Válvula globo 
Válvula com corpo de duas vias, com formato globular, de passagem reta, interna de sede 
simples ou de sede dupla. É a que tem maior uso na indústria. O termo globo é oriundo de sua 
forma, aproximadamente esférica, e sua conexão com a linha pode ser atavés de flanges rosca 
ou solda. 
Ela será de sede simples ou dupla, de acordo com o número de orifícios que possua para 
a passagem do fluido. 
 
 
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Figura 1: Simbologia de válvulas convencional, três vias e angular 
Vantagens: 
 Simplicidade do atuador diafragma – mola 
 Disponibilidade de variedade de características de vazão 
 Pequena probabilidade de cavitação e de geração de ruído 
 Disponibilidade de materiais diferentes para atender aplicações com erosão, 
corrosão, altas temperaturas e altas pressões 
 Relação linear entre sinal de controle e o movimento da haste 
 Pequena banda morta e pequena histerese, permitindo o seu uso sem 
posicionador. 
 É a favorita para aplicações de controle liga-desliga, com operação freqüente 
da válvula, por causa do deslocamento relativamente pequeno do disco. 
 Melhor vedação 
A. Válvula globo sede simples 
Neste tipo de válvula, o fluido no interior de corpo passa através de um único orifício. 
Para a válvula fechar, o obturador deve movimentar-se para baixo (normalmente aberta), e para 
a válvula abrir, o obturador deve movimentar-se para baixo (normalmente fechada). 
Sempre que possível, as válvulas de sede simples devem ser instaladas de tal forma que 
a vazão tende a abrir. Isto resulta em operações suave e silenciosa, com máxima capacidade. 
 
 
 
 
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Figura 2: Válvula globo sede simples, com seus componentes especificados e o 
sentido do fluxo. 
B. Válvula globo sede dupla 
Foi desenvolvida para atender a necessidade de uma válvula que poderia ser posicionada 
com força relativamente pequena do atuador. 
Se as duas sedes forem do mesmo diâmetro, as pressões que atuam no obturador serão 
equilibradas na posição fechada e teoricamente pouca força será requerida para abrir e fechar a 
válvula. 
Na realidade, os orifícios são construídos com 1/16” a 1/8” no diâmetro, um maior que o 
outro. Esta construção é chamada “semi-balanceada” e é usada para possibilitar que o obturador 
menor passe através do orifício maior na montagem. 
Como desvantagem, apresentam um vazamento, quando totalmentefechadas, de no 
máximo 0,5 % da sua máxima capacidade de vazão. O fato desse vazamento ser maior que na 
sede simples se deve a dois fatores: 
 Por ser semi balanceada, um pequeno esforço é suficiente para deslocar a haste de 
qualquer posição (nesse caso, tal facilidade pode surgir como desvantagem). 
 Devido ao fato de ser impossível fechar os dois orifícios simultaneamente, 
principalmente em casos de fluídos suficientemente quentes para produzir uma 
dilatação volumétrica desigual no obturador. 
 
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Figura 3: ilustração comparativa entre válvulas de sede simples (a) e de sede 
dupla (b) 
C. Válvula globo três vias 
Trata-se de uma adaptação das válvulas globo convencionais, para utilização em 
aplicações de mistura ou separação de fluidos. 
As válvulas de três vias, devido a sua configuração e utilização, não apresentam 
vedação completa, pois, enquanto fechamos um orifício, o outro fica completamente aberto. 
Convergente: fluidos separados entram pelas vias (S) e (I), misturando-se numa 
determinada e desejada proporção, saindo pela via (C) já misturados. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4: Válvula globo de três vias convergente 
Divergente: o fluido entra pela via (C) e sai em proporções definidas pelas vias (S) e (I). 
 
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Figura 5: Válvula globo de três vias divergente 
Uma aplicação bastante conhecida da válvula 3 vias divergente é o de desvio de um 
trocador de calor. 
D. Válvula globo tipo gaiola 
Trata-se de uma válvula de concepção antiga, porém totalmente renovada e aperfeiçoada 
nos últimos anos, fato esse que lhe possibilitou uma contínua e crescente utilização na quase 
totalidade dos processos industriais 
A válvula tipo gaiola apresenta uma concepção de internos substancialmente diferente da 
globo convencional. 
Seu sucesso está fundamentado nos seguintes aspectos: 
 Facilidade de remoção das partes internas, pela ausência de roscas o que facilita 
bastante a operação na própria instalação. 
 Capacidade vazão da ordem de 20 a 30% maior que a globo convencional. 
 Menor peso das partes internas, resultando assim um menor vibração horizontal 
consequentemente menor ruído de origem mecânica do que as válvulas globo 
duplamente guiadas. 
 Não possuindo flange inferior a válvula é algo mais leve que as globo 
convencionais. 
Alguns tipos de válvulas globo gaiola: 
 Sede Simples 
 Balanceada 
 Micro Fluxo 
 
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 Angular Sede Simples 
 Angular Balanceada 
 Duplo estágio 
 Baixo ruído 
 
E. Válvula globo angular 
Essa válvula é uma variante da válvula de globo, possui bocais a 90°, uso recomendado 
apenas em extremidades livres da linha e apresentam baixa perda de carga. 
Só devem ser usadas em uma extremidade livre da linha, principalmente tratando-se de 
linhas quentes. 
4.1.2 Válvula diafragma 
Este tipo de válvula é utilizada no controle de fluidos corrosivos, líquidos altamente 
viscosos e líquidos com sólidos em suspensão. 
Consiste de um corpo em cuja parte central apresenta um encosto sobre o qual um 
diafragma móvel, preso entre o corpo e o castelo, se desloca para provocar o fechamento da 
válvula. 
A válvula de controle tipo Diafragma ou Saunders, assim denominada por se tratar de 
uma patente mundial da Saunders (Inglaterra), possui como vantagens um baixo custo, total 
estanqueidade quando fechada, já que o assento é composto, e facilidade de manutenção. 
Entretanto não apresenta uma boa característica de vazão para controle, além de uma alta 
e não uniforme força de atuação que faz com que praticamente este tipo de válvula seja limitado 
em diâmetros de até 6" para efeito de aplicações em controle modulado. 
Uma outra desvantagem é que devido ao material do seu obturador (diafragma de 
neoprene ou Teflon), a sua utilização é limitada pela temperatura do fluido em função do 
material do diafragma. 
4.1.3 Válvula bipartida 
Trata-se de uma válvula desenvolvida para aplicações altamente corrosivas, 
principalmente em plantas de processos químicos, aplicações nas quais torna-se necessária uma 
freqüente inspeção ou substituição dos internos da válvula. 
Devido a ser uma válvula utilizada em fluídos altamente corrosivos, o material do corpo 
é bastante especial e portanto caro, padronizando-se a utilização de flanges tipo encaixe, 
soldados ao corpo. Estes flanges, podem ser em aço carbono comum mesmo que o corpo seja 
de material superior. 
 
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Uma desvantagem deste tipo de válvula é a não possibilidade de uma fixação na linha por 
meio de solda (pois neste caso as metades do corpo não poderiam ser separadas para a remoção 
do anel da sede). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6: Válvula bipartida 
 
4.1.4 Válvula guilhotina 
Originalmente projetada para a indústria de papel e celulose (fluído pastosos), porém, 
hoje em dia, a sua aplicação tem atingindo algumas outras aplicações em indústrias químicas, 
petroquímicas, açucareiras, abastecimentos de água, etc. 
 
Contudo, a sua principal aplicação continua sendo em controle biestável com fluídos 
pastosos, tais como massa de papel. Fabricada em diâmetros de 2” até 24” com conexões sem 
flanges para ser instalada entre par de flanges da tubulação. 
 
4.2 Deslocamento rotativo 
Nos últimos anos tem-se notado um substancial aumento no uso das válvulas 
denominadas de rotativas. Basicamente estes tipos de válvulas apresentam vantagens e 
desvantagens. Nas vantagens podemos considerar baixo peso em relação aos outros tipos de 
válvulas, desenho simples, capacidade relativa maior de fluxo, custo inicial mais baixo, etc. 
Dentre as desvantagens citamos a limitação em diâmetros inferiores a 1" ou 2" e quedas de 
pressão limitadas principalmente em grandes diâmetros e forte tendência a cavitação. 
4.2.1 Borboleta 
Válvula de deslocamento rotativo, corpo de duas vias de passagem reta, com internos de 
sede simples e elemento vedante constituídos por um disco ou lâmina de formato circular 
acionados por eixo de rotação axial. 
 
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Válvulas borboletas têm grande capacidade, pois o diâmetro do furo do cilindro é 
usualmente o diâmetro interno da tubulação na qual estão instaladas e a única obstrução 
é o disco. 
Limitada pelo fato de requerer força considerável para sua operação em altas pressões 
diferenciais. 
 
 
 
 
Figura 7: Representação do fechamento, controle e abertura de fluxo em 
uma válvula borboleta. 
Quando a válvula está fechada ou completamente aberta as forças originárias da pressão 
do fluido são balanceadas em ambos os lados e portanto não há resultante de força torsora para 
nenhum lado. 
Quando a válvula está parcialmente aberta surge uma força resultante, que tende a fechar 
sempre a válvula, qualquer que seja a direção do fluido. 
Vantagens: 
 Produzir uma queda de pressão muito pequena, quando totalmente aberta. 
 Ser barata, leve, de comprimento pequeno 
 Possuir construção e operação extremamente simples. 
 Fornecer controle liga-desliga e contínuo (grande faixa de operação) 
 Manipular grandes vazões de água, líquidos contendo sólidos e gases sujos. 
 
4.2.2 Esfera 
Devido ao seu sistema de assentamento, proporciona uma vedação estanque, 
constituindo-se numa das poucas válvulas de controle que além de possuir ótimas condições de 
desempenho de sua principal função, (isto é, prover uma adequada ação de controle modulado) 
permite, ainda uma total estanqueidade quando totalmente fechada. 
O corpo da válvula e do tipo bipartido (para possibilitar a montagem dos internos), sendo 
quea esfera gira em torno de dois anéis de Teflon (construção padrão) alojados no corpo e que 
fazem a função de sede. 
 
 
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Possibilita a passagem do fluído em qualquer direção sem problemas dinâmicos, e possui 
um curso total de 90º. 
4.2.3 Obturador excêntrico 
Vantagens em processos industriais, tais como papel e celulose. O curso do 
obturador é de 50º em movimento excêntrico da parte esférica do obturador, reduzindo o torque 
de atuação permitindo uma operação mais estável com o fluido entrando na válvula em qualquer 
sentido. 
Apresenta, quando totalmente fechada, um índice de vazamento de 0,01% da sua 
máxima capacidade de fluxo. 
 
4.2.4 Segmento de esfera 
Embora esse tipo de válvula já venha sendo utilizada em controle a alguns anos, em outros 
países, somente agora começa encontrar espaço em aplicações de controle nas indústrias 
brasileiras. 
Seu interno possui detalhe em “V” o que garante alta precisão de controle mesmo em 
baixas vazões e deste modo oferece uma rangeabilidade de até 350:1. Possui uma única 
sede a montante que mantém contato permanente com o segmento de esfera e desse modo 
elimina qualquer incrustação na superfície da esfera, e, como a válvula esfera é também 
do tipo auto-limpante. 
Outra grande vantagem dessa válvula está na sua montagem que é feita de tal forma que 
o segmento é fixado por dois mancais que garante baixo torque de acionamento e 
consequentemente, melhor resposta ã oscilação da variável do processo. Sua 
característica inerente, assim como as válvulas esferas é sempre do tipo igual 
porcentagem. 
5. BIBLIOGRAFIA 
 Elementos Finais de Controle/ Simone Massulini Acosta/ universidade 
tecnológica federal do paraná 
 Instrumentação: Elementos Finais de Controle/ SENAI Departamento 
Regional do Espírito Santo 1999 
 Válvulas industrias/ jefferson engenharia de processos industriais 
 Projetos em instrumentação e automação /Eng. Marcelo Saraiva 
Coelho/instrumentação - válvulas