tratamento de Água de caldeira - ifs - 2012
TRANSCRIPT
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
TRATAMENTO DA ÁGUA DE
CALDEIRAS
Características de águas para caldeiras em função de sua pressão:
TRATAMENTO DA ÁGUA DE
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.
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
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
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
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
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
Reduzem a transferência de calor, elevam o consumo decombustível, elevam a temperatura da superfície dos metais porsuperaquecimento e eventuais rupturas da estrutura.
a. Incrustação
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
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
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
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 DA ÁGUA DE CALDEIRAS
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.
Tratamento usando fosfatos
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:
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
2243
23
4 )(.)(31026 OHCaPOCaCaOHPO
2
2 )(2 OHMgOHMg
Tratamento usando fosfatos
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:
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
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 DA ÁGUA DE CALDEIRAS
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 DA ÁGUA DE CALDEIRAS
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.
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
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.
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
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 .
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
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
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
b. Corrosão - Tipos
Corrosão por pite e alveolar
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
b. Corrosão - Tipos
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.
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
b. Corrosão - Tipos
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.
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
b. Corrosão - Tipos
Corrosão em ferros fundidos cinzentos
b. Corrosão - Tipos
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
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;
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
b. Corrosão - Tipos
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
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;.
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
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;
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
b. Corrosão – Agentes Precursores
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.
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
b. Corrosão – Agentes Precursores
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.
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
b. Corrosão – Agentes Precursores
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.
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
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.
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
b. Corrosão – Tratamento Químico
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..
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
b. Corrosão – Tratamento Químico
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.
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
b. Corrosão – Tratamento Químico
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
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
b. Corrosão – Tratamento Químico
c. Arraste e Espumação
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
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.
c. Arraste e Espumação
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.
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
Danos em Turbinas
Depósitos no superaquecedor
Contaminação do condensado gerado
c. Arraste e Espumação
Ocasiona:
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
- 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
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
c. Arraste e Espumação
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
TRATAMENTO DA ÁGUA DE CALDEIRAS
c. Arraste e Espumação
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.