Tratamento de Água de Caldeira - IFS - 2012

COQUI IFS

Curso: Técnico em Química

Professor: Francisco Luiz Gumes Lopes

TECNOLOGIA

QUÍMICA

TRATAMENTO

DA ÁGUA DE

CALDEIRA

Água Ideal

É aquela que não apresenta substâncias incrustantes,não corrói o metal do equipamento e de seus acessórios eque não ocasiona arraste e nem espumação.

TRATAMENTO DA ÁGUA DE

CALDEIRAS

Cada caldeira em função de sua pressão necessita deacompanhamento em relação ao tratamento aplicado aágua de alimentação.

Maior rendimento e melhor desempenho na produção devapor dependem do controle de qualidade da água.

A pressão em que vai se operar a caldeira é de suma importância, pois é ela que vai determinar métodos para reduzir as impurezas contidas na água

Pressão (kgf/cm2)

Métodos de remoção de impurezas

Até 40 Clarificação, filtração, abrandamento pôr troca iônica

41 a 65 Clarificação, filtração, troca iônica e desmineralização

Acima de 65 Clarificação, filtração, desmineralização e desaeração


CALDEIRAS

Características de águas para caldeiras em função de sua pressão:


CALDEIRAS

Entre 1900 e 1917: começa uso de processos de abrandamento da água pela

precipitação de Ca e Mg.

Em 1918: a água era aquecida antes de alimentar a caldeira para eliminação do

oxigênio dissolvido.

Em 1920: Ocorre o aumento dos sistemas que reduziam os níveis de oxigênio;

Descobriu-se que as borras formadas nas caldeiras eram menos resistentes e

menos aderentes aos tubos quando as águas que alimentavam as caldeiras eram

alcalinas;

Uso de Na2CO3 para precipitação de Ca e Mg e para manter as borras

amolecidas

Histórico

TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS

Histórico

Em 1922: começa o uso dos fosfatos, que são mais eficientes que o carbonato

de sódio na redução de Ca e Mg, e para manter as borras amolecidas.

1957: desmineralização da água – ausência de sólidos dissolvidos (Zero

Sólido, Água Pura)

1960: Uso de quelatos para manter o Ca e Mg solúveis em águas de caldeira,

evitando as incrustações, para caldeira de média e baixa pressão.

Uso de polímeros sintéticos para reduzirem a dureza e ainda combaterem a

presença de ferro e cobre, formando compostos insolúveis e inaderentes aos

tubos das caldeiras.

Surgem os tratamentos conjugados: quelatos-polímeros.


Importância da Eliminação do Oxigênio

Mesmo concentrações mínimas são prejudiciais às caldeiras.

Formação da magnetita (Fe3O4).

É formada quando o ferro é aquecido em água destilada

ou vapor livre de oxigênio.

Forma uma camada protetora, aderente ao aço,

praticamente impermeável, que protege o metal de uma

posterior oxidação.

A magnetita pode ser destruída pelo oxigênio

4 Fe3O4 + O2 6 Fe2O3


Importância do Controle do pH

Condições ácidas (pH < 7,0) são corrosivas, bem como

condições altamente alcalinas (pH > 12,0).

Objetivos do

Tratamento Químico

- impedir a formação de incrustações;

- controlar e reduzir os processos corrosivos;

- impedir o arraste de água da caldeira.

a. Incrustação

Formação de depósitos duros e aderentes sobre a superfície de troca

térmica da caldeira

É geralmente devida a compostos químicos que têm sua solubilidade

diminuída com o aumento da temperatura como sais de cálcio e

magnésio. Outros elementos que podem formar incrustações são o

ferro, sílica e o alumínio

Têm características isolantes


Reduzem a transferência de calor, elevam o consumo decombustível, elevam a temperatura da superfície dos metais porsuperaquecimento e eventuais rupturas da estrutura.

a. Incrustação



a. Incrustação

As crostas formadas na superfície de aquecimento constituem um

obstáculo à passagem de calor da chama para a água no tubo da caldeira

INCRUSTAÇÃO EM CALDEIRAS

superaquecimento dos tubos, perda de rendimento, possível

ruptura da tubulação, maior consumo de combustível e obstrução

ao fluxo de água

VARIAÇÃO DA RESISTÊNCIA DE ESCOAMENTO EMFUNÇÃO DA TEMPERATURA

INCRUSTAÇÃO EM CALDEIRAS

0

10

20

30

40

50

60

200 300 400 500 600 700 800

oC

kg

/m2

Quanto maior for a temperatura de operação de uma caldeira,

menor será a quantidade de depósitos que ela poderá tolerar

a. Incrustação

Principais causas da existência de depósitos em caldeiras:

- excesso de impurezas presentes na água de alimentação,

- processo de corrosão que forma subprodutos depositantes,

- condensado ou vapor contaminados,

- tratamento químico aplicado inadequadamente


Conseqüência da presença de incrustações num gerador de

vapor:

- superaquecimento dos tubos,

- perda de rendimento,

- possível ruptura da tubulação,

- maior consumo de combustível,

-obstrução ao fluxo de água

controle e

inibição

da

incrustação

externamente abrandamento / desmineralização

internamente agentes anti-incrustantes

produtos à base de fosfatos ou de

polímeros sintéticos.


Tratamento usando fosfatos

Evita a incrustação de cálcio e magnésio.

Forma precipitados pouco aderentes à superfície de troca térmica.

Esta lama formada é eliminada através das descargas de fundo da

caldeira.


Com a adição de fosfato mais a presença de um

alcalinizante, ocorrerá a retirada dos sais de cálcio

(incrustantes). Formação da hidroxiapatita de cálcio.

Para o cátion magnésio pode ocorrer a seguinte

reação:


2243

23

4 )(.)(31026 OHCaPOCaCaOHPO

2

2 )(2 OHMgOHMg


Existindo sílica suficiente há formação do

hidrossilicato de magnésio:

A falta ou o excesso de alcalinizante ou fosfato

poderá dar condições à formação de precipitados

aderentes. Pode ocorrer:


OHOHMgMgSiOOHOHSiOMg 2232

2

3

2 .)(.2223

OHCOCaCOHCOCa 2233

2 2 3

2

3

2 CaSiOSiOCa

243

2

4

2 )(23 POMgPOMg

Tratamento usando quelatos

Visa complexar os íons cálcio e magnésio, formando compostos solúveis e impassíveis de sofrer incrustações nas condições de operação.

Os compostos pertencentes ao grupo dos quelatos utilizados em tratamento de água de caldeira são o etileno diamino tetracetato de sódio (Na4EDTA) e o sal sódico de nitrilo acidotriacético (Na3NTA).

A formação dos complexos é devida a um tipo especial de ligação química, onde o íon metálico é preso dentro da estrutura do complexo. O agente quelante atua como um sequestrante, captando o íon metálico que é dito sequestrado.

Em excesso os quelatos podem causar corrosão no metal formando um complexo com o óxido de ferro (magnetita), dissolvendo-o.

Os quelatos se usados de maneira adequada mostram-se efetivos na manutenção de equipamentos e na remoção de depósitos já existentes no interior da caldeira.


Tratamento usando polímeros sintéticos

São moléculas orgânicas de cadeia longa com grupos ativos

ligados a uma cadeia de unidades repetidas.

Estes grupos ligam-se a um ponto ativo do cristal do sal que

poderia provocar incrustações, alterando seu crescimento.

Ocorre a distorção do cristal impedindo a formação de

aglomerados de partículas e mantendo-as não aderentes.

Pode-se considerar um programa de tratamento à base de

polímeros sintéticos como não gerador de lamas.


Tratamento conjugado

O tratamento químico é dito Conjugado quando usa-se um quelato

ou fosfato junto com polímeros na água da caldeira.

A concentração e o tipo de composto químico a ser usado

dependerá do problema verificado na caldeira, pois o

tratamento conjugado geralmente é utilizado quando o método

anterior não demonstrou eficiência.

As borras anteriormente formadas bem como os depósitos

encontrados devem sofrer um estudo minucioso para que se possa

encontrar um quelato ou fosfato adequado a auxiliar o polímero na

solução do problema observado no gerador de vapor.


b. Corrosão

Corrosão em caldeiras é um processo eletroquímico que poderá

ocasionar acidentes e parada do equipamento para manutenção.

É a oxidação dos metais que compõe o sistema gerador de vapor,

geralmente provocado pela água e suas impurezas.

É função da pressão e temperatura de trabalho, tipos de

contaminantes e tratamento químico dado à água de alimentação da

caldeira.

O processo corrosivo pode se desenvolver nos meios ácido, neutro e

alcalino. O meio ácido aerado é o de maior gravidade.


Corrosão uniforme

é a corrosão generalizada, na qual o material apresenta sua

superfície corroída de maneira uniforme em toda a sua extensão.

pode ser verificado quando as partes metálicas da caldeira

estão em contato com uma água de alimentação que apresenta

características ácidas .


b. Corrosão - Tipos

Corrosão por pite e alveolar

É um tipo de corrosão localizada, caracterizada pelo ataque

puntiforme do metal. Ocorre em pequenas áreas. Pode perfurar

uma chapa metálica em um período de tempo bastante reduzido.

Nos pites a corrosão apresenta-se com profundidade maior do

que seu diâmetro. Já nos alvéolos a profundidade da corrosão é

menor que seu diâmetro.

Uma das causas decorre da água de alimentação com

características ácidas, contendo eletrólitos dissolvidos



Corrosão por pite e alveolar



Corrosão intergranular ou intercristalina

É um processo corrosivo extremamente perigoso porque na maioria das

vezes só é detectado por micrografia.

O efeito desse tipo de corrosão é a produção de trincas no material, que

acabam por provocar fortes rachaduras e a sua perda.



É um tipo de corrosão que

afeta materiais como o

alumínio.

Corrosão seletiva

Ocorre quando alguns dos componente da liga metálica é

corroído preferencialmente.

Ocorre principalmente em função das diferenças existentes entre os

potenciais de oxidação dos diversos elementos ou compostos

presentes na estrutura da liga.



Corrosão em ferros fundidos cinzentos



Corrosão por esfoliação

Ocorre com os materiais laminados, em particular o alumínio, que se

manifesta pela separação das camadas.

Corrosão galvânica

Pode ser encontrada em locais onde se utiliza metais dissimilares.

O uso de metais diferentes em contato expostos a água na presença de

um eletrólito, geram um processo corrosivo onde o metal menos nobre

torna-se um ânodo, corroendo-se.

Ocorre portanto uma redução na espessura da chapa metálica. A

corrosão galvânica pode ser observada em caldeiras quando usa-se

tubos de ferro novos em contato com tubos de ferro antigos

Fragilidade cáustica

Ocorre quando a soda cáustica fica depositada sobre a parte

metálica destruindo o óxido preto de ferro (magnetita) e

conseqüentemente a superfície do metal. Normalmente a

fragilidade cáustica é observada em chapas rebitadas, juntas, uniões

ou inserções;




Corrosão sob tensão (tipo “stress”)

ocorre quando for criada uma tensão no metal e este for exposto à

água que contém eletrólitos dissolvidos.

as áreas sob tensão se tornam áreas anódicas e são corroídas.

Os principais elementos causadores de processos de corrosão

em caldeiras podem ser identificados como sais e gases

dissolvidos, ácidos minerais, material em suspensão e

microorganismos;.


b. Corrosão – Agentes Precursores

Corrosão devida a ácidos minerais (clorídrico, sulfúrico, nítrico,

acético, entre outros)

Estes ácidos normalmente provém da poluição hídrica industrial. O

ataque ácido causará uma corrosão localizada nas caldeiras, geralmente

observada na forma de pites ou alvéolos.

Este processo de corrosão ocorrerá em maior velocidade se juntamente

com os ácidos forem encontrados sais minerais;



Corrosão devida a sais dissolvidos (sais de caráter ácido, sulfatos, sais

hidrolizáveis, sais oxidantes e bicarbonatos).

Os mais importantes são: cloreto de magnésio (MgCl2) e o

cloreto de cálcio (CaCl2), porque estes reagem com a água

formando ácido clorídrico (HCl).

O NaCl apresenta uma corrosão menor que a dos cloretos de cálcio e

magnésio, no entanto é um eletrólito forte, portanto, aumenta a

condutividade da água da caldeira, favorecendo o mecanismo

eletroquímico da corrosão;

O cloreto ferroso (FeCl2) rompe a magnetita, debilitando sua

resistência e permitindo a difusão de íons através de sua película

enfraquecida.

Corrosão por álcalis

O processo de corrosão por álcalis pode ser observado quando o mesmo encontra-se abaixo de incrustações em zonas de alta transferência de calor;

Corrosão devida ao oxigênio dissolvido

Destrói a magnetita. Visto anteriormente

Corrosão devida ao gás carbônico

Provoca corrosão por pontos, tanto em caldeiras, quando o pH da água está baixo, como nas seções pré e pós-caldeira, principalmente na linha de vapor e condensado.

A formação de CO2 é devida a decomposição dos carbonatos na água da caldeira e à ação do calor que decompõe os bicarbonatos existentes nas águas naturais, precipitando os carbonatos.



Corrosão devida ao gás sulfídrico

O H2S é originário de meios químicos (poluição) e biológicos.

Na presença de oxigênio o gás sulfídrico pode ser oxidado a ácido

sulfúrico, dentro de certas condições de pH e temperatura, o que

atacará violentamente o ferro.

Corrosão por dióxido e trióxido de enxofre (pH baixo)

Ocorrerá formação de ácido sulfuroso e sulfúrico respectivamente.



O oxigênio e o gás carbônico dissolvidos na água da caldeira e um pH da água abaixo de 10 facilita o processo corrosivo.

Com o uso de álcalis pode-se controlar o pH da água das seções pré-caldeira, caldeira e pós-caldeira, evitando assim a corrosão.

Para a eliminação do gás carbônico na rede de vapor usa-se compostos voláteis que controlarão a corrosão. Tal função é exercida pelas aminas, sendo que as mais empregadas são a ciclohexilamina e a morfolina.

No combate aos gases dissolvidos pode-se mencionar o uso de desaeradores, equipamentos auxiliares ao tratamento químico, que reduzem o teor destes gases na água de alimentação.


b. Corrosão – Tratamento Químico

Remoção química do oxigênio dissolvido pelo uso do sulfito de sódio.

Em caldeiras que operam acima de 40 kgf/cm2, a altas temperaturas, pode ocorrer a decomposição do oxigênio em dióxido de enxofre e ácido sulfídrico, os quais são extremamente corrosivos.

Quando há produção de SO2, este se dissolve no condensado formando ácido sulfuroso, que abaixa o pH, tornando o meio corrosivo para o metal.



42232 2/1 SONaOSONa

2232 2 SONaOHOHSONa

SHNaOHSONaOHSONa 242232 2324

3222 SOHOHSO

Uso do Sulfito de Sódio

Nota-se que a utilização de sulfito de sódio na água da caldeira como captador de oxigênio deve ser bem equilibrada pois aumenta o teor de sólidos na água.

Em caldeiras que operam a uma pressão superior a 40 kgf/cm2 o seu uso é desaconselhável, pois exige-se descargas constantes para a manutenção adequada da quantidade máxima admissível de sulfato..



Uso da Hidrazina

Sabe-se que a reação acima ocorre instantaneamente em temperaturas acima de 150°C.

A hidrazina possui um poder redutor, transforma o Fe2O3 em Fe3O4 (óxido preto de ferro) que age como protetor.

O fenômeno pode ser observado também para o cobre onde o CuO transforma-se em Cu2O.



22242 2 NOHOHN

Em temperaturas acima de 200°C a hidrazina pode se decompor em amônia:

Na caldeira deve-se manter praticamente nulo o teor de hidrazina e esta deve ser controlada na água de alimentação.

2342 43 NNHHN



c. Arraste e Espumação


Consistem nas principais causas de contaminação do vapor produzido

numa caldeira.

O arraste é um fenômeno onde as partículas de água da caldeira são

carregadas para o vapor gerado, o que é extremamente indesejável.

O arraste pode ocorrer devido a nível de água elevado,

projeto da caldeira inadequado e excesso de produção de vapor.

Espumação é a contaminação que se verifica devido a influência

exercida pela concentração de produtos químicos.

A formação de espuma deve-se ao excesso de sólidos totais

dissolvidos, alcalinidade total elevada, óleos e graxas, excesso de

sólidos em suspensão, detergentes e matéria orgânica.


Arraste mecânico - Arraste

aumentos rápidos na demanda de vapor

a maior velocidade de saída do vapor

operação da caldeira com nível de água acima do recomendado pelo

projeto

Arraste químico - Espuma

a concentração excessiva de alguns compostos químicos como

matéria oleosa e orgânica, por exemplo, opõem resistência ao

fenômeno da coalescência devido ao efeito que estes compostos têm

sobre o filme superficial. O resultado disso é que em vez de se

quebrarem, as bolhas se formarão uma sobre outra, causando a

formação de espuma a tal ponto que serão arrastadas com o vapor.


Danos em Turbinas

Depósitos no superaquecedor

Contaminação do condensado gerado


Ocasiona:


- Evitar variações bruscas no consumo

de vapor;

- Controlar adequadamente o nível de

água na caldeira

- Controlar a qualidade da água de

caldeira através de descargas

Para evitar o arraste

em caldeiras deve-se:

OBS: para caldeiras com P > 400 psi volatilização da sílica



Pode ser usado um mecanismo de separação vapor-água, e deve-se manter

o nível da água da caldeira controlado pelo visor e evitar o excesso

de produção de vapor.

ppm de Sólidos no Vapor Problemas

0 a 0,02 não

0,02 a 0,11 depósitos nas turbinas

0,11 a 1,00 depósitos nas turbinas e possíveis depósitos no superaquecedor

> 1,00 depósitos nas turbinas e superaquecedores



Para evitar a espumação deve-se diminuir a concentração dos sólidos

dissolvidos, sólidos em suspensão, alcalinidade cáustica e matérias

orgânicas na água da caldeira por meio de descargas de fundo.

Pode-se usar um anti-espumante para resolver problemas de

espumação, principalmente quando a água contiver óleos, graxas

detergentes, etc.

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