Isolamento de Tanque Criogénico: Perlite ou Isolamento Multicamada

O isolamento de tanque criogénico funciona combinando um vácuo elevado no espaço anular com um enchimento que bloqueia a radiação. Os dois sistemas correntes são a perlite sob vácuo, um enchimento granular usado sobretudo em tanques estacionários maiores, e o isolamento multicamada ou MLI, também chamado superisolamento, uma manta refletora enrolada.

Ambos os sistemas dependem do vácuo. Nenhum deles funciona sem ele. A escolha entre os dois afeta a taxa de evaporação, a tara, a espessura do espaço anular, o custo e a forma como o tanque é reparado caso o vácuo se perca.

Este artigo explica brevemente a física, compara os dois sistemas de forma honesta nos pontos que afetam uma compra e mostra por que razão o tipo de isolamento é uma das primeiras perguntas a fazer quando dois tanques usados do mesmo volume nominal são cotados a preços diferentes.

Como funciona o isolamento por vácuo num tanque criogénico?

O calor chega ao líquido criogénico por três vias, e um sistema de isolamento de tanque criogénico tem de responder às três.

• Condução e convecção gasosa: calor transportado pelas moléculas de gás no espaço anular entre o vaso interior frio e a camisa exterior quente
• Radiação: energia infravermelha emitida pela camisa exterior quente e absorvida pelo vaso interior frio, que não necessita de qualquer meio para se propagar
• Condução sólida: calor que percorre os suportes estruturais que sustentam o vaso interior e as tubagens que atravessam a camisa

Evacuar o espaço anular elimina quase toda a condução e convecção gasosa. É o maior ganho isolado e é a razão pela qual todos os tanques criogénicos modernos são isolados por vácuo. Mas o vácuo nada faz contra a radiação nem contra os suportes. Por isso, o espaço anular é também preenchido ou envolvido com um material escolhido para bloquear a radiação, e os suportes são fabricados em materiais de baixa condutividade com percursos térmicos longos.

Uma vez que todo o sistema depende da manutenção do vácuo, tanto os tanques com perlite como os com MLI incluem um adsorvente, muitas vezes um peneiro molecular ou carvão ativado, no espaço anular. O adsorvente capta as moléculas de gás libertadas pelas superfícies metálicas ao longo de anos de serviço, o que impede a degradação natural do vácuo. Ainda assim, deve ser feita uma leitura de vácuo a cada 6 a 12 meses.

O que é o isolamento por perlite sob vácuo?

A perlite é vidro vulcânico expandido, transformado num pó granular leve. O espaço anular é cheio com perlite e depois evacuado. As partículas dispersam e absorvem a radiação ao longo do intervalo e, com o gás removido, resta muito pouco percurso de condução entre elas.

Características com relevância comercial:

• Custo de material e de mão de obra inferior ao de um sistema MLI enrolado, sobretudo em vasos grandes onde a área de superfície é considerável
• Robusta e tolerante. Não é sensível a pequenas imperfeições de instalação nem sofre danos com o manuseamento do vaso durante o fabrico
• Necessita de um espaço anular mais largo para atingir uma dada fuga térmica, o que aumenta o diâmetro da camisa exterior e a área ocupada
• É mais pesada, tanto pela própria perlite como pela camisa exterior de maiores dimensões
• Pode assentar e compactar com o tempo, sobretudo em vasos que são transportados ou sujeitos a vibração

O assentamento é o ponto fraco na prática. À medida que a perlite compacta, pode abrir-se um vazio no topo do espaço anular, criando uma zona local de maior fuga térmica, enquanto o material compactado na parte inferior pode exercer carga sobre o vaso interior. Os vasos verticais que mudam de local estão mais expostos a este fenómeno do que os que permanecem fixos, o que ajuda a explicar por que motivo a perlite é a escolha habitual em tanques estacionários e é bastante menos comum em equipamento de transporte rodoviário.

A perlite é também higroscópica no sentido que aqui interessa. Se o vácuo se perder e entrar ar com humidade, a perlite absorve a água. Recuperar dessa situação exige mais do que voltar a bombear o espaço.

O que é o isolamento multicamada ou MLI?

O isolamento multicamada, habitualmente designado por MLI ou superisolamento, é uma manta enrolada. Películas refletoras finas, tipicamente poliéster aluminizado, alternam com um material separador de baixa condutividade, como papel de vidro ou uma rede fina. A manta é enrolada em torno do vaso interior antes de a camisa exterior ser fechada e o espaço ser evacuado.

As camadas refletoras atacam diretamente a radiação. Cada camada reflete a maior parte da energia infravermelha incidente e cada camada sucessiva encontra-se a uma temperatura inferior à da camada exterior, pelo que a queda de temperatura é repartida por muitos estágios. O separador impede que as películas se toquem, porque películas em contacto criariam uma ponte de condução sólida e anulariam o benefício.

Características com relevância comercial:

• Menor fuga térmica por unidade de área de superfície do que a perlite para o mesmo espaço anular
• Um espaço anular muito mais fino, o que reduz o diâmetro total para um dado volume interior
• Significativamente mais leve, o que é decisivo em equipamento de transporte rodoviário, onde cada quilograma de tara é um quilograma de carga útil perdida
• Mais sensível à execução. A densidade de camadas, as sobreposições e o tratamento das penetrações alteram o resultado
• Mais exigente quanto ao vácuo. O desempenho do MLI degrada-se mais depressa do que o da perlite à medida que a qualidade do vácuo baixa, pelo que uma perda parcial de vácuo manifesta-se mais cedo

O MLI é padrão em semirreboques cisterna criogénicos, contentores-cisterna ISO, vasos MicroBulk e tanques estacionários de menor dimensão. Em vasos estacionários grandes o cenário é mais variado, e alguns fabricantes usam uma combinação, envolvendo o vaso interior com MLI e preenchendo o espaço restante com perlite.

Como é que o tipo de isolamento afeta a taxa de evaporação?

A evaporação, também designada por taxa de evaporação estática ou taxa de evaporação normal, é a percentagem do conteúdo do tanque que evapora por dia com o tanque cheio e em repouso. Os tanques criogénicos estacionários modernos situam-se numa gama de aproximadamente 0,2 a 0,6 por cento por dia, consoante a dimensão e o isolamento.

Dois fatores determinam onde um tanque se situa nessa gama:

• A dimensão do tanque. Um vaso maior tem menos área de superfície por unidade de volume armazenado, pelo que a mesma qualidade de isolamento dá um valor percentual mais baixo. Um tanque pequeno a 0,5 por cento por dia e um tanque grande a 0,25 por cento por dia podem ter isolamento de qualidade idêntica
• O sistema de isolamento e a qualidade do vácuo. Em dois tanques de dimensão semelhante, um sistema MLI com bom vácuo dará em geral um valor mais baixo do que um sistema com perlite, porque o percurso da radiação está mais bem bloqueado num espaço mais fino

É por isso que uma percentagem de evaporação isolada não é uma especificação comparável entre propostas. Peça o valor acompanhado do volume do vaso, do produto em que foi medido e das condições de ensaio. O nosso artigo sobre taxa de evaporação de tanques criogénicos explica como o número é definido e como o ler numa ficha técnica, e o valor associado de tempo de retenção ou taxa de evaporação normal é o que realmente indica durante quanto tempo o produto pode ficar parado até a pressão atingir a regulação da válvula de segurança.

Mais uma advertência. Um valor de evaporação publicado descreve um tanque em bom estado, com o vácuo intacto. Nada diz sobre o estado de uma unidade usada em concreto parada num estaleiro. Só uma medição ou uma leitura de vácuo lhe dá essa informação.

Como é que o isolamento afeta peso, dimensões e transporte?

Nos tanques estacionários, o peso pesa na instalação. Um vaso cheio com perlite é mais pesado e de maior diâmetro para a mesma capacidade, o que afeta o dimensionamento das fundações, a grua necessária para o assentar e a área ocupada num local que pode já estar congestionado. Num terreno novo com espaço, este fator raramente é decisivo. Numa adaptação a um recinto existente, por vezes é.

Para equipamento de transporte, o cálculo é diferente e muito mais exigente:

• O transporte rodoviário está limitado pelo peso bruto do veículo, pelo que a tara reduz diretamente a carga útil de cada viagem durante toda a vida do veículo
• Um espaço anular mais fino permite mais volume interior dentro do envelope legal do semirreboque ou das dimensões fixas de uma estrutura ISO
• Os vasos de transporte estão sujeitos a vibração constante e a cargas de choque, que é a condição em que o enchimento granular pode assentar

É por isso que os semirreboques cisterna criogénicos, os camiões de distribuição e os contentores-cisterna ISO T75 são construídos com MLI e não com perlite. É uma consequência de projeto, não uma preferência. Se está a comparar opções de transporte rodoviário, o nosso guia sobre cisternas rodoviárias criogénicas explica como a tara interage com a carga útil e a economia das rotas.

Qual dos sistemas de isolamento é mais fácil de reparar?

Esta questão só se torna relevante depois de uma perda de vácuo, mas é exatamente nesse momento que se torna dispendiosa. Os sintomas visíveis são iguais nos dois sistemas: gelo ou condensação na envolvente exterior, aumento da evaporação e subida de pressão mais rápida entre entregas.

Se o vácuo se degradou lentamente e o espaço se manteve seco

No melhor cenário, o espaço pode ser novamente evacuado, muitas vezes com o adsorvente regenerado por aquecimento durante a bombagem, e o desempenho é reposto. Isto é genericamente idêntico nos dois sistemas e é o desfecho desejável quando o problema é detetado cedo. O nosso artigo sobre perda de vácuo em tanques criogénicos descreve como a situação evolui e com que antecedência pode ser identificada.

Se entrou ar e humidade no espaço anular

Aqui os sistemas divergem. A perlite húmida tem de ser removida e substituída, o que implica abrir a camisa, extrair o enchimento, secar ou renovar o material, voltar a encher e a evacuar. É uma operação de oficina com um conteúdo significativo de mão de obra e material, mas o material em si é barato e o processo é bem conhecido.

O MLI húmido ou contaminado tem em geral de ser desenrolado e substituído. O custo do material é mais elevado e o novo enrolamento tem de ser feito com a densidade de camadas correta, o que exige uma oficina que execute este trabalho com regularidade. Em contrapartida, o MLI não precisa de ser extraído de um espaço confinado com equipamento de vácuo, como acontece com a perlite.

Em ambos os casos, a fuga tem de ser localizada e reparada primeiro. Voltar a evacuar uma camisa com uma fuga por resolver compra semanas, não anos.

Porque é que o tipo de isolamento importa ao comparar dois tanques usados?

Dois tanques usados com o mesmo volume de chapa de características podem diferir substancialmente no custo de exploração, e o isolamento é uma das razões. O produto perdido por evaporação é produto que pagou para liquefazer e transportar.

Ao comparar propostas, peça o seguinte para cada unidade:

• O tipo de isolamento indicado pelo fabricante original, e não presumido a partir da forma do tanque
• O valor de evaporação de projeto ou taxa de evaporação normal original, com o volume e o produto a que se refere
• Uma leitura de vácuo atual no espaço anular, com a data em que foi feita
• O histórico de serviço: quantas vezes o vácuo foi bombeado e se o tanque alguma vez foi reisolado
• Se a camisa foi cortada e novamente soldada, que é a assinatura de uma reparação anterior do isolamento
• Fotografias da envolvente exterior em condições frescas e húmidas, quando as manchas de gelo e a condensação são mais fáceis de ver
• Se o dispositivo de segurança do espaço anular alguma vez atuou, o que indicaria uma fuga anterior do vaso interior

Um tanque com uma leitura de vácuo documentada e uma camisa sem intervenções vale mais do que um tanque com um preço pedido inferior e sem dados, e a diferença é normalmente recuperada em perdas de produto ao fim de algumas épocas. Comece a inspeção pela chapa de características do vaso, uma vez que lhe indica o volume, a MAWP e o código de projeto que está efetivamente a comparar, e prossiga com o registo de manutenção planeada.

A KAF Cryogenics fornece tanques criogénicos em segunda mão certificados, que passaram por inspeção, ensaios não destrutivos e ensaios de vácuo e de pressão, e são vendidos com dossiê documental e garantia escrita. Quando é exigido um sistema de isolamento, uma classe de pressão ou uma configuração específica, são construídos vasos novos conforme especificação. As unidades certificadas em segunda mão podem ser entregues a partir de stock em semanas, ao passo que um equipamento novo é uma questão de meses de fabrico.

Perguntas frequentes

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