Apostila Sistema de Aguas_Petrobras

Utilidades – Sistema de Águas

URSO DE F ORMAÇÃO ORMAÇÃO DE O PERADORES PERADORES DE R EFINARIA EFINARIA C URSO

U TILIDADES TILIDADES – S ISTEMA ISTEMA DE ÁGUAS

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TILIDADES – S ISTEMA ISTEMA DE Á GUAS GUAS U TILIDADES EXTOS DE E NG NG . R AUL AUL E LKIND LKIND – RH/ U NIVERSIDADE NIVERSIDADE C ORPORATIVA ORPORATIVA T EXTOS DE

RGANIZAÇÃO : U ZIAS ZIAS ALVES O RGANIZAÇÃO

Equipe Petrobras Petrobras / Abastecimento UN´s: Repar, Regap, Replan, Refap, RPBC, Recap, SIX, Revap

3 CURITIBA 2002


Módulo Utilidades – Sistema de Águas Ficha Técnica

Contatos com a Equipe da Repar: Refinaria Presidente Getúlio Vargas – Repar Rodovia do Xisto (BR 476) – Km16 83700-970 Araucária – Paraná Mario Newton Coelho Reis (Coordenador Geral) Tel.: (41) 641 2846 – Fax: (41) 643 2717 e-mail: [email protected] Uzias Alves (Coordenador Técnico) Tel.: (41) 641 2301 e-mail: [email protected] Décio Luiz Rogal Tel.: (41) 641 2295 e-mail: [email protected] Ledy Aparecida Carvalho Stegg da Silva Tel.: (41) 641 2433 e-mail: [email protected] Adair Martins Tel.: (41) 641 2433 e-mail: [email protected]

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UnicenP – Centro Universitário Positivo Oriovisto Guimarães (Reitor) José Pio Martins (Vice Reitor) Aldir Amadori (Pró-Reitor Administrativo) Elisa Dalla-Bona (Pró-Reitora Acadêmica) Maria Helena da Silveira Maciel (Pró-Reitora de Planejamento e Avaliação Institucional) Luiz Hamilton Berton (Pró-Reitor de Pós-Graduação e Pesquisa) Fani Schiffer Durães (Pró-Reitora de Extensão) Euclides Marchi (Diretor do Núcleo de Ciências Humanas e Sociais Aplicadas) Helena Leomir de Souza Bartnik (Coordenadora do Curso de Pedagogia) Marcos José Tozzi (Diretor do Núcleo de Ciências Exatas e Tecnologias)

Antonio Razera Neto (Coordenador do Curso de Desenho Industrial) Maurício Dziedzic (Coordenador do Curso de Engenharia Civil) Júlio César Nitsch (Coordenador do Curso de Eletrônica) Marcos Roberto Rodacoscki (Coordenador do Curso de Engenharia Mecânica) Textos de Eng. Raul Elkind – RH/ Universidade Corporativa Uzias Alves (Organização) Marcos Cordiolli (Coordenador Geral do Projeto) Iran Gaio Junior (Coordenação de Ilustração, Fotografia e Diagramação) Carina Bárbara R. de Oliveira (Coordenação de Elaboração dos Módulos Instrucionais) Juliana Claciane dos Santos (Coordenação dos Planos de Aula) Luana Priscila Wünsch (Coordenação Kit Aula) Angela Zanin Leoni Néri de Oliveira Nantes Érica Vanessa Martins (Equipe Kit Aula) Carina Bárbara Ribas de Oliveira (Coordenação Administrativa) Cláudio Roberto Paitra Marline Meurer Paitra (Diagramação) Cíntia Mara Ribas Oliveira (Coordenação de Revisão Técnica e Gramatical) Contatos com a equipe do UnicenP: Centro Universitário do Positivo – UnicenP Pró-Reitoria de Extensão Rua Prof. Pedro Viriato Parigot de Souza 5300 81280-320 Curitiba PR Tel.: (41) 317 3093 Fax: (41) 317 3982 Home Page: www.unicenp.br e-mail: [email protected] e-mail: [email protected]


Apresentação

É com grande prazer que a equipe da Petrobras recebe você. Para continuarmos buscando excelência em resultados, dife- renciação em serviços e competência tecnológica, precisamos de você e de seu perfil empreendedor. Este projeto foi realizado pela parceria estabelecida entre o Centro Universitário Positivo (UnicenP) e a Petrobras, representada pela UN-Repar, buscando a construção dos materiais pedagógicos que auxiliarão os Cursos de Formação de Operadores de Refinaria. Estes materiais – módulos didáticos, slides de apresentação, planos de aula, gabaritos de atividades – procuram integrar os saberes téc- nico-práticos dos operadores com as teorias; desta forma não podem ser tomados como algo pronto e definitivo, mas sim, como um processo contínuo e permanente de aprimoramento, caracterizado pela flexibilidade exigida pelo porte e diversidade das unidades da Petrobras. Contamos, portanto, com a sua disposição para buscar outras fontes, colocar questões aos instrutores e à turma, enfim, aprofundar seu conhecimento, capacitando-se para sua nova profissão na Petrobras. Nome: Cidade: Estado: Unidade: Escreva uma frase para acompanhá-lo durante todo o módulo.

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Sumário

1 SISTEMA DE ÁGUAS........................................................................................................................................7 1.1 A Importância da Água na Indústria .............................................................................................................7 1.1.1 Finalidades da Água em Refinarias de Petróleo ................................................................................7 1.2 Impurezas Presentes nas Águas .....................................................................................................................7 1.2.1 Sólidos em suspensão ........................................................................................................................7 1.2.2 Gases dissolvidos ...............................................................................................................................8 1.2.3 Sais dissolvidos ..................................................................................................................................8 1.2.4 Sílica ............................................................................................................................................... 10 1.2.5 Matéria orgânica ............................................................................................................................. 10 1.3 Captação, Adução, Recalque e Armazenamento de Água Bruta ............................................................... 10 1.4 Tratamento de Água .................................................................................................................................... 11 1.4.1 Clarificação ..................................................................................................................................... 12 1.4.2 Filtração .......................................................................................................................................... 14 1.4.3 Desinfecção ..................................................................................................................................... 15 1.4.4 Cloração .......................................................................................................................................... 15 1.4.5 Pré-cloração e Pós-cloração ............................................................................................................ 15 1.4.6 Neutralização (correção de pH) ...................................................................................................... 16 1.4.7 Descloração ..................................................................................................................................... 16 1.4.8 Processo de desmineralização......................................................................................................... 17 1.4.9 Desmineralização por resinas de troca iônica ................................................................................. 17 1.4.10 Desmineralização por membranas de osmose reversa .................................................................... 18 1.4.11 Membranas de osmose reversa ....................................................................................................... 20 1.4.12 Módulos com elementos enrolados em espiral ............................................................................... 20 1.4.13 Sistemas de osmose reversa ............................................................................................................ 21 1.4.14 Pré-tratamento ................................................................................................................................. 22 1.4.15 Vantagens e limitações da osmose reversa ...................................................................................... 22 1.4.16 Limitações ....................................................................................................................................... 23 1.4.17 Aplicações ....................................................................................................................................... 23 1.5 Sistema de Resfriamento ............................................................................................................................ 24 1.5.1 Sistemas abertos .............................................................................................................................. 24 1.5.2 Sistemas semi-Abertos de recirculação ........................................................................................... 24 1.5.3 Sistemas Fechados .......................................................................................................................... 24 1.6 Torres de Resfriamento .............................................................................................................................. 25 1.6.1 Tipos de Torres de resfriamento ..................................................................................................... 25 1.6.2 Elementos da torre .......................................................................................................................... 25 1.6.2 Estudos Psicrométricos do Ar Atmosférico .................................................................................... 26 1.6.3 Conceitos & Considerações complementares ................................................................................. 27 1.6.4 Corrosão em sistemas de água de resfriamento ............................................................................. 27 1.6.5 Fatores que influenciam a corrosão pela água ................................................................................ 28 1.6.6 Inibidores de corrosão..................................................................................................................... 29 1.6.7 Depósitos e incrustações ................................................................................................................. 29 1.6.7 Formação de depósitos em sistemas de resfriamento ..................................................................... 30 1.6.8 Formação de incrustações ............................................................................................................... 30 1.6.9 Controle de depósitos e incrustações .............................................................................................. 31 1.6.10 Tendência corrosiva ou incrustante da água ................................................................................... 31 1.6.11 Termos usuais em água de resfriamento ......................................................................................... 32 1.6.12 Interferência dos organismos vivos nos sistemas de tratamento de água ........................................ 32 1.6.13 Depósitos biológicos ....................................................................................................................... 33 1.6.14 Deterioração da madeira das torres ................................................................................................. 33 1.6.15 Ataque químico ............................................................................................................................... 33 1.6.16 Ataque físico ................................................................................................................................... 33 6 1.6.17 Ataque biológico ............................................................................................................................. 33 1.6.18 Biocidas .......................................................................................................................................... 34 1.6.19 Cloro ............................................................................................................................................... 34 1.6.20 Eficiência da cloração ..................................................................................................................... 34 1.6.21 Controle do tratamento microbiológico .......................................................................................... 34


Sistema de Águas 1.1 A Importância da Água na Indústria A água é a substância mais abundante e também a mais importante na vida vegetal e animal. Além disso, tem grande aplicação nos processos industriais e, por isso, a existência de uma fonte de água abundante para suprimento do processo é um dos fatores básicos na seleção do local para instalação de uma indústria.

1.1.1 Finalidades da Água em Refinarias de Petróleo

Em uma refinaria, a água passa por diversos processos de tratamento na Estação de Tratamento de Água (ETA) ou Unidade de Tratamento de Água (UTRA), cujo objetivo é produzir água tratada para atender às seguintes demandas: – combate a incêndio – utiliza-se a própria água bruta; – reposição dos circuitos de resfriamento (“make up”) – a água utilizada é a água bruta submetida à cloração e clarificação; – água industrial, para processos e serviços – é a água bruta submetida à précloração, clarificação, filtração e correção de pH; – água potável – é a água bruta submetida à pré-cloração, clarificação, filtração, pós-cloração e correção de pH; – água desmineralizada, para reposição das caldeiras – é a água bruta submetida à pré-cloração, clarificação, filtração, descloração e desmineralização.

1.2 Impurezas Presentes nas Águas

A água em seu estado natural nunca é pura. Mesmo quando proveniente de uma precipitação pluviométrica, só é considerada pura na condensação em grande altitude. À medida que desce através do ar, a água da chuva dissolve oxigênio, nitrogênio e dióxido de carbono (gases

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ses normalmente encontrados na atmosfera) em quantidades proporcionais às suas pressões parciais. A água da chuva também encontra poeira, fumaça e vapores, que, por sua vez, são dissolvidos ou retidos em suspensão. As bactérias, germes e microorganismos são também arrebatados por ela. Após contato com o solo, seja por percorrer a superfície terrestre, seja por percolar pelas camadas rochosoas, as impurezas contidas na água são aumentadas, devido ao grande poder de dissolução que possui. Deste modo, pode ser dissolvida uma certa quantidade de matéria mineral do solo ou das pedras com as quais entra em contato. A presença de argila e outros sólidos em suspensão na água de rios e córregos produz turbidez na mesma. Além disso, as águas de superfície ficam sujeitas à poluição pelos animais, seres humanos, esgotos das cidades e resíduos das indústrias.Daí a necessidade de purificação e condicionamento antes de seu uso como água potável ou para fins industriais. Uma análise completa de uma água potável poderia indicar a presença de mais de 50 constituintes nela dissolvidos ou em suspensão. Estas impurezas podem ser enquadradas nos seguintes grupos: – Sólidos em suspensão; – Gases dissolvidos; – Sais dissolvidos; – Sílica; – Matéria orgânica.

1.2.1 Sólidos em suspensão

São as impurezas que não se dissolvem na água, como areia, argila, sílica, algas, bactérias, resíduos industriais, vegetais e animais de diversos tipos, etc. provocando turbidez. As matérias em suspensão podem ser divididas 7 em dois grupos: matérias decantáveis e matérias coloidais. Matérias decantáveis ou sedimentos são as partículas em suspensão que, quando a água


mantida em repouso, depositam-se espontaneamente. Como exemplo, podem ser citados: sólidos de dimensões relativamente grandes, areia, entre outros. Matérias coloidais são as partículas em suspensão que, ou não se depositam espontaneamente, ou exigem um longo tempo para se depositar, quando a água é mantida em repouso. Como exemplos podem ser citados a sílica, cuja presença em água de refinaria provoca incrustações duras nos tubos das caldeiras, argila, microorganismos, etc. Estas partículas exigem um tratamento de floculação para que possam depositar-se em condições viáveis economicamente.

1.2.2 Gases dissolvidos

Os gases que se encontram dissolvidos na água em proporção maior são o oxigênio, o anidrido carbônico (CO2) e, em menor escala, a amônia (NH3), o gás sulfídrico (H2S) e o metano (CH4). O oxigênio encontra-se dissolvido em todas as águas naturais. Provoca corrosão em superfícies de ferro, latão, cobre, etc., com velocidade diretamente proporcional ao teor dissolvido, daí a necessidade de sua remoção da água utilizada na geração de vapor, de forma a evitar corrosão em tubulações, sistemas de condensado e demais superfícies metálicas das caldeiras. A eliminação do oxigênio é feita mecanicamente nos desaeradores e quimicamente pela adição de substâncias redutoras como o sulfito de sódio ou a hidrazina. O gás carbônico (CO2) está presente em pequena proporção (2 ppm) nas águas de superfície devido à absorção do ar. Nas águas de fontes e nascentes, o teor pode variar desde valores insignificantes até valores tão altos que o CO2 borbulha quando a pressão é aliviada. O CO2 aparece também como produto da decomposição térmica dos bicarbonatos. Quando dissolvido na água, o CO 2 é corrosivo devido à formação do ácido carbônico, que ataca as superfícies metálicas das caldeiras, evaporadores e sistemas de condensado. A eliminação do CO 2 é obtida por desgaseificação atmosférica ou térmica. A amônia (NH3) aparece dissolvida, nas 8 águas brutas, pura ou combinada sob a forma de compostos orgânicos. Também aparece nas águas por ser utilizada como agente alcalinizante para proteção contra a corrosão ou por decomposição da hidrazina. Seu

principal inconveniente é ser muito corrosiva para o cobre e suas ligas (latão, bronze), principalmente em presença de oxigênio. É removida na cloração da água. O gás sulfídrico (H2S) aparece em algumas águas sulfurosas e em efluentes de refinarias e indústrias petroquímicas. Mesmo em concentração inferior a 1 ppm, é indesejável devido ao mau odor. Em presença de água, forma o ácido sulfídrico, um ácido fraco mas capaz de provocar corrosão no ferro e em ligas de cobre. Sua remoção é feita por aeração ou cloração. O metano (CH4), presente principalmente em despejos sanitários devido à degradação de matéria orgânica, também é removido por oxidação durante a aeração ou cloração da água.

1.2.3 Sais dissolvidos

A água contém, em proporções variadas, diversos íons em solução. Entre os ânions mais comuns estão os carbonatos, bicarbonatos, sulfatos, cloretos e nitratos, enquanto os principais cátions metálicos são sódio, cálcio, magnésio, ferro e manganês. Os sólidos dissolvidos, quando em altas concentrações, causam espuma e arraste em caldeiras. O teor de sólidos dissolvidos em uma amostra pode ser determinado por evaporação da água, ou indiretamente através da medida da condutividade elétrica. Seu conhecimento é de grande utilidade para a determinação das razões de descarga de águas de caldeiras ou evaporadores, com o objetivo de manter um teor máximo de sólidos totais na água.

Incrustação em base de cálcio, magnésio, silica e fosfato.

Cálcio e magnésio: São os responsáveis pela dureza das águas. A importância da dureza no tratamento de águas para fins industriais decorre do fato dos sais de cálcio e magnésio terem a tendência de formar incrustações em superfícies onde há troca de calor, por exemplo,

tubos de caldeira e de trocadores de calor de sistemas de água de refrigeração. Estas incrustações provocam perda de eficiência na troca de calor e rupturas por superaquecimento localizado em tubos de caldeira. Carbonatos e bicarbonatos : são indese jáveis na água porque, por aquecimento nas caldeiras, decompõem-se e liberam CO 2, um gás corrosivo que ataca as superfícies metálicas das caldeiras e tubulações de retorno de condensado. Os carbonatos de cálcio e magnésio, por sua vez, têm tendência a formar incrustações nas superfícies de troca de calor. Além disso, a presença de sais dissolvidos aumenta a tendência de formação de espuma e arraste nas caldeiras. A eliminação de bicarbonatos da água efetua-se mediante a adição de ácido sulfúrico ou clorídrico, com aeração para eliminar o CO 2 formado, ou ainda, mediante intercâmbio iônico e aeração posterior. Ferro e manganês: Os íons ferro podem estar presentes na água provenientes da própria fonte (rios, poços) ou devido à corrosão de equipamentos em contato com água na própria planta industrial. A forma mais comum em que o ferro solúvel é encontrado em águas é como bicarbonato ferroso – Fe(HCO 3)2. Está presente, nesta forma, em águas subterrâneas profundas, limpas e incolores que, em contato com o ar, turvam-se e sedimentam um depósito. Para fins industriais, não é desejável a presença do ferro, devido a diversos problemas, tais como: – envenenamento de resinas de troca iônica, principalmente pelos íons Fe 3+; – tendência de formar depósitos em tubos, que aumentam a perda de carga e provocam corrosão nas superfícies metálicas sob os depósitos; – crescimento de bactérias como Crenotrix, Gallionella, entre outras, capazes de oxidar o Fe2+ a Fe3+, um íon menos solúvel que se deposita nas tubulações. O manganês é usualmente encontrado junto com o ferro em águas naturais e provoca problemas semelhantes de depósito, incrustação (mesmo em pequenas quantidades, como 0,2 a 0,3 ppm), cor e condições de desenvolvimento de microorganismos como o Crenotrix. Daí o teor máximo ser fixado em 0,05 ppm de Mn em águas potáveis.


Ferro e manganês também são agentes de dureza, mas, geralmente, estão em concentrações tão baixas que não influenciam significativamente a dureza devido ao cálcio e magnésio. Pode-se proceder a remoção do ferro e do manganês presentes na água através de aeração em pH elevado e posterior decantação e filtração, com o objetivo de oxidar o Fe 2+ a Fe3+, insolúvel em meio alcalino. Cloretos: São encontrados em todas as águas naturais e ocorrem numa larga gama de concentração, geralmente na forma de cloretos de sódio, cálcio e magnésio. Os cloretos aumentam a condutividade da água, acelerando assim a corrosão dos metais. Além disso, cloretos em águas de caldeiras contribuem para o aumento do teor de sólidos dissolvidos, requerendo períodos de purga de fundo “blow-down” (purga de fundo) mais longos. Sulfatos e Nitratos: Os sulfatos podem ser provenientes da lixiviação de gipsita, anidrita e depósitos de calcários. Em geral estão presentes como sulfatos de cálcio, sódio e magnésio, variando grandemente sua concentração, conforme a região de onde a água é originária. O sulfato de cálcio tem solubilidade decrescente com a temperatura, e por isto forma crostas aderentes em superfícies de transferência de calor. Sódio e potássio formam sais solúveis provocando aumento da corrosividade da água pelo aumento da condutividade. Fosfatos: Formam resíduos insolúveis de fosfato tricálcico, Ca 3(PO4)2, em águas com elevada dureza. podem também estar presentes na água com agentes alcalinos. Outro problema causado pelos fosfatos deve-se ao fato destes serem nutrientes para algas e outros microorganismos, favorecendo, assim, a proliferação de tais organismos. Fluoretos: Podem provocar manchas nos dentes e por isto seu teor na água potável é limitado a 1,5 ppm. Metais pesados: Pb, Cd, Cu, Hg e outros metais pesados podem estar presentes na água devido a despejos industriais. Como não são 9 eliminados pelo organismo, provocam sérias doenças e por isto seu limite em águas para fins potáveis é fixado em teores da ordem de 0,05 ppm.


1.2.4 Sílica

Constituinte de todas as águas naturais, a sílica pode estar presente em suspensão ou dissolvida na água, em teores de 1 a mais de 100 ppm.

Nas águas de caldeira, a matéria orgânica provoca espuma em tubulões, o que facilita o arraste de sólidos dissolvidos para o vapor. Em sistemas de desmineralização, a matéria orgânica provoca envenenamento das resinas trocadoras, principalmente as aniônicas de base forte, daí a necessidade de sua remoção, feita por oxidação através do Cloro, sedimentação e filtração.

1.3 Captação, Adução, Recalque e Armazenamento de Água Bruta

Rompimento do Tubo de Caldeira devido a presença de incrustações.

A sílica, em combinação com a dureza, produz incrustações duríssimas e de difícil remoção em superfícies de troca de calor, como as de uma caldeira ou trocador de calor. Em caldeiras de pressões superiores a 400 psi, a sílica presente na água é arrastada pelo vapor, provocando a formação de incrustações duras de silicatos nos tubos do superaquecedor. Além disso, devido à solubilidade da sílica no vapor de alta pressão, esta o acompanha até os estágios de baixa pressão das turbinas, quando sua solubilidade diminui. A sílica desta forma precipita, provocando incrustações nas palhetas das turbinas e daí o desbalanceamento das mesmas. A remoção da sílica em suspensão pode ser feita pelos processos de clarificação e filtração, porém a sílica dissolvida só consegue ser removida por resinas aniônicas de base forte.

1.2.5 Matéria orgânica

Aparece na água devido à decomposição de animais e vegetais, microorganismos, despejos industriais ou domésticos, etc. O crescimento de algas e microorganismos em sistemas de resfriamento pode provocar depósitos, que causam entupimentos em linhas, válvulas e equipamentos de troca térmica, corrosão por aeração diferencial, deterio10 ração da madeira em torres de refrigeração, etc. A presença de matéria orgânica na água também é indesejável do ponto de vista estético e de potabilidade, pois provoca o aparecimento de cor, sabor e odor desagradáveis.

As refinarias captam água diretamente de rios ou através de barragens, portanto é de grande importância a localização da captação para facilitar e ajudar no tratamento da água, de forma a evitar, com seu posicionamento, despejos industriais, turbidez excessiva, alteração de vazão, resíduos sólidos, assoreamento, inundações, etc. Do ponto de captação, o fluxo é bombeado através de uma estação elevatória (Subestação e Casa de Bombas) até uma torre de recalque, que cumpre a finalidade de proporcionar pressão de coluna adequada na descarga das bombas e assegura um regime de bombeio estável e nível suficiente para o deslocamento gravitacional do fluxo até a refinaria, através de uma adutora. No percurso, há a necessidade de uma torre de equilíbrio, construída em concreto, que se mostra como pulmão da adutora, uma vez que absorve golpes de aríete e entradas de ar decorrentes das variações e interrupções de fluxo. Nos pontos altos, há a necessidade de válvulas ventosas, que controlam a entrada e saída de ar na tubulação: permanecem abertas enquanto existir ar no interior da tubulação e fecham com a chegada de água, após expulsão do ar. Se ocorrer drenagem da água do interior da tubulação, das válvulas ventosas? evitam a formação de vácuo, permitindo a entrada de ar. Os efeitos de dilatação da adutora são absorvidos pela instalação de juntas “dresser” ou sanfonadas. As juntas “dresser” consistem, basicamente, de um tubo encaixado dentro de outro, devidamente vedados através de gaxetas especiais. Na estação elevatória, as paradas das bombas exigem cuidados especiais, pois a interrupção abrupta do bombeio, decorrente de queda de energia ou outras eventualidades, geraria um retorno de fluxo de várias toneladas, em função do peso da coluna d´água entre

a descaga das bombas e a cota da torre de equilíbrio. A fim de absorver este impacto há três níveis de proteção: 1. Fechamento lento e gradativo das válvulas de descarga, de modo a não gerar variação abrupta de fluxo de retorno. As bombas podem apenas ser desligadas após fechamento total destas válvulas.

2. Ao ocorrer parada abrupta do bombeio, o retorno do fluxo é absorvido por válvulas antigolpe, que abrem imediata-


mente para dreno e fecham lentamente até que o refluxo seja absorvido.

3. Na eventualidade de falha na atuação das válvulas antigolpe, são acionadas as válvulas de segurança, denominadas PSV´s, projetadas para abrir para dreno quando a pressão limite de calibração for atingida. Estas válvulas, normalmente, são projetadas para abertura em três níveis diferentes de pressão, de forma a garantir a confiabilidade do sistema.

1.4 Tratamento de Água

Tratamento de água é o nome genérico dado a um conjunto de processos que visa à obtenção de água com as características físicas, químicas e biológicas necessárias, quer ao consumo humano, quer ao consumo industrial. Dentre os processos de tratamento d'água mais comuns, podem ser citados: – sedimentação; – clarificação (floculação e decantação); – filtração; – desinfecção (pré- e pós-cloração); – neutralização (correção de pH); – descloração; – desmineralização.

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Esquema geral do tratamento d´água numa refinaria.

1.4.1 Clarificação

A clarificação pode ser definida como a remoção da matéria finamente dividida e em suspensão em água. Geralmente, é a primeira etapa em qualquer tipo de tratamento d’água, pois a maioria das aplicações da água exige que esta seja clara e sem cor. Devido às limitações de espaço, a maioria das indústrias instala clarificadores compactos , também chamados acelerados. Esses clarificadores tem geralmente o formato de um tanque trono-cônico, tendo a base maior para cima. Motor do raspador Calha coletora

Alimentação de produtos químicos Saída de água clarificada

Alimentação

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Neste tipo de clarificador, a água bruta entra pelo tubo central onde se mistura com os produtos químicos e a água em circulação. Um agitador promove a subida da água e sua descarga para fora do tubo central. O processo de clarificação tem duas etapas: a) Floculação b) Decantação

Floculação: tem por objetivo transformar as partículas coloidais em partículas decantáveis e, deste modo, permitir a eliminação da maior parte das matérias em suspensão, por posterior decantação. Caso as partículas coloidais chocassem umas contra as outras poderiam aglutinar-se, aumentar de tamanho e, conseqüentemente, decantar. O que impede este choque entre as partículas coloidais é a repulsão entre as cargas elétricas nelas presentes, graças à ação das forças eletrostáticas. Estas cargas elétricas em geral são grupos ionizáveis de carga negativa (particularmente OH– da água) absorvidos na superfície das partículas coloidais. O que se deseja na clarificação é, essencialmente, a desestabilização do colóide, ou seja, sua coagulação, e o crescimento das partículas formadas (floculação) de maneira que seja fácil separá-las da água por sedimentação ou filtração. A coagulação é alcançada adicionando-se à água eletrólitos contendo íons de carga elevada. Estes neutralizam as cargas elétricas protetoras da partícula coloidal, pois anulam as forças de repulsão eletrostática, de maneira a permitir a aproximação e contato entre as partículas. Decantação: Os produtos químicos mais usados em coagulação são sais de alumínio ou de ferro, tais como sulfato de alumínio, aluminato de sódio, sulfato férrico, cloreto férrico e sulfato ferroso. Estes sais, em presença da alcalinidade natural da água ou da alcalinidade a ela adicionada, dão origem a hidróxidos metálicos trivalentes, que precipitam sob a forma de flocos volumosos e pesados, com enorme área superficial por unidade de volume, e aprisionam facilmente sólidos em suspensão.

Preparo das soluções

Raspador de lodo Saída de lama

Os produtos químicos utilizados na floculação são preparados em concentrações determinadas, em tanques de preparação providos

de agitadores e dosados através de bombas dosadoras de membrana, ajustadas manualmente, para serem aplicadas na caixa de chegada de água bruta.

Auxiliares de coagulação

São produtos adicionados para melhorar a coagulação e floculação, que produzem flocos maiores e mais pesados, em faixas mais amplas de pH.

Polieletrólitos São polímeros denominados polieletrólitos, que quando dissolvidos em água, ionizamse (adquirem carga positiva ou negativa). A figura abaixo ilustra, esquematicamente, a atuação dos polieletrólitos catiônicos, neutralizando as cargas negativas das partículas coloidais.

Teste de Jarro ("Jar-Test")

É o teste usado para se estimar as concentrações e os tipos de produtos químicos necessários para obtenção de uma clarificação ótima de uma água, em determinadas condições de tempo, temperatura e velocidade de agitação. A determinação deve ser feita por tentativas e por comparação de resultados, razão pela qual utiliza-se um aparelho que possibilita a execução de diversos testes simultâneos. Em cada teste, após a colocação de 1 litro de água em análise em cada béquer, adicionam-se diferentes quantidades dos produtos químicos (coagulação, adjuvante e alcalinizante). Submete-se o conjunto à agitação rápida durante 10 segundos e à agitação lenta durante mais 20 minutos. Cessa-se a agitação e os flocos são deixados decantar por algum tempo. Comparam-se, visualmente, os resultados em cada béquer, escolhendo como dosagem ótima a empregada no béquer que apresentou melhor floculação. Este ensaio permite determinar: – a dosagem ótima do agente coagulante (sulfato de alumínio); – o pH ótimo de floculação – utiliza-se a dosagem ótima do sulfato em todos os


béqueres e diversas dosagens do agente alcalizante (cal); – a dosagem do adjuvante de floculação – utilizam-se as dosagens ótimas de sulfato e cal, e diversas dosagens do adjuvante; – a velocidade de sedimentação dos flocos, um parâmetro importante para o cálculo de decantadores. Teste de sulfato (Com solução de sulfato de alumínio a 1% p/v) 1. Adicionar por meio de uma pipeta: – 1 mL de solução a 1% no 1° béquer – 2 mL de solução a 1% no 2° béquer – 3 mL de solução a 1% no 3° béquer – 4 mL de solução a 1% no 4° béquer – 5 mL de solução a 1% no 5° béquer – 6 mL de solução a 1% no 6° béquer, de maneira que sejam preparadas soluções com 10, 20, 30, 40, 50 e 60 ppm de sulfato de alumínio, respectivamente. 2. Deixar os agitadores ligados por 10 segundos. 3. Observar a formação dos flocos em cada béquer quanto: – ao tamanho de floco e – à quantidade de flocos.

4. Preparar os agitadores, levantar as pás e deixar decantar por 20 minutos com a luz apagada. 5. Observar, de tempos em tempos (acendendo a luz): – a rapidez de decantação e – a quantidade decantada.

Aplicação dos Produtos Químicos

Após adição e mistura dos produtos químicos à água, a floculação processa-se espontaneamente, no entanto exige um tempo relativa- 13 mente longo. Submetendo-se, porém, a água à agitação durante 15 a 30 minutos, verifica-se sensível redução de tempo e razoável melhoria nas características dos flocos. O fenômeno é


explicado através da melhor distribuição do coagulante e do aumento do número de colisões entre ele e as partículas em suspensão. A aplicação dos coagulantes pode ser feita em calha Parshall, como ilustrado na Figura:

velocidade da água vai diminuindo e garante, assim, a formação de um manto de lama na base do clarificador. A floculação é acelerada pelo próprio contato com o precipitado já formado previamente.

1.4.2 Filtração

A filtração consiste na passagem da água através de um material poroso, freqüentemente areia de granulometria pré-determinada, com o objetivo de eliminar partículas em suspensão presentes na água, reduzindo sua turbidez.

A água bruta entra pelo tubo central onde se mistura com os produtos químicos e a água em circulação. Um agitador promove a subida da água e sua descarga para fora do tubo central. Passa, então, a fluir em sentido descendente na câmara de floculação, onde os flocos se formam. Como a seção vai aumentando, a Como muitas partículas finalmente divididas e coloidais não são retidas nos filtros, a filtração é, normalmente, precedida pela coagulação, que aumenta o tamanho das partículas e facilita sua sedimentação. A filtração age, assim, como uma complementação à decantação, insuficiente na maioria dos casos, de modo a produzir uma água totalmente clarificada. Durante o processo de filtração, as partículas em suspensão depositam-se nos espaços livres entre os grãos de areia. Verifica-se, com o passar do tempo, diminuição gradual das seções livres de passagem de água, provocando em conseqüência um aumento gradativo da perda de carga causada pelo leito filtrante. A ação da areia não é apenas criar poros menores do que a matéria retida. Na prática, durante a filtração, são também retidas partículas coloidais e bactérias. Explica-se este fenômeno pelo fato dessas partículas serem absorvidas pelos grãos de areia face à existência de cargas elétricas.

14

Quando a perda de carga atinge um determinado valor pré-fixado, a operação do filtro deve ser interrompida e feita a contra-lavagem (“backwash”) do filtro, que consiste na passagem do fluxo de água de baixo para cima, para remover as impurezas acumuladas no meio filtrante e restaurar sua capacidade de filtração.

1.4.3 Desinfecção

A maioria das águas, quer como se encontram na Natureza, quer clarificadas, mesmo apresentando cor e turbidez desprezíveis, sem qualquer cheiro, odor ou gosto indesejáveis, encontram-se contaminadas pela presença de microorganismos patogênicos. A desinfecção é o processo através do qual os microorganismos patogênicos são eliminados, não implicando necessariamente na completa esterilização da água. Existem diversos processos para se conseguir a desinfecção de uma água, podendo ser citados os seguintes: – filtração em porcelana porosa; – fervura; – exposição a raios ultravioleta; – contato com prata; – ozonização; – ação de agentes tensoativos; – tratamento com cloro e outros oxidantes. A eficiência da desinfecção depende de diversos fatores, tais como: – espécie e concentração dos microoganismos; – tipo e concentração do agente desinfectante; – tempo de contato; – temperatura, pH, etc.

1.4.4 Cloração

O cloro é, sem dúvida, o principal agente utilizado na desinfecção de água. A ação desinfectante do cloro deve-se à formação do ácido hipocloroso. Admite-se que ele age difundindo-se através da membrana celular e inibindo uma das reações essenciais à vida dos microoganismos, a oxidação da glicose dentro da célula. Estima-se que o ácido hipocloroso seja 20 vezes mais poderoso como microbicida do que o íon hipoclorito. O processo de desinfecção depende de fatores como pH, temperatura, concentração de substâncias reativas como cloro, concentração e tipo de microorganismo presente, etc.


A cloração pode ser realizada diretamente por cloro gasoso (C l 2), ou através de derivados clorados, dentre os quais os principais são hipocloritos de sódio, NaC l O, e de cálcio, Ca(C l O)2. Geralmente, é mais econômico utilizar cloro gasoso para vazões elevadas, e hipoclorito para vazões baixas. A demanda de cloro de uma água corresponde a quantidade deste gás consumida na reação com toda a matéria oxidável nela presente. Quando se faz a cloração da água bruta, uma parte do cloro adicionado é consumida na combinação com diversos compostos, principalmente derivados nitrogenados. Compostos redutores orgânicos e inorgânicos também contribuem para consumir parte do cloro adicionado à água. Somente após todos esses produtos terem sido oxidados, o cloro adicionado irá permanecer como Cloro residual livre, isto é, sob a forma de HC l O + ClO–. Geralmente, uma concentração de cloro livre da ordem de 0,3 a 0,5 ppm permite que a água mantenha-se isenta de microorganismos patogênicos, mesmo longe do ponto de cloração, tornando-a potável com um índice de coli/100 ml igual a zero.

1.4.5 Pré-cloração e Pós-cloração

Dependendo da etapa do tratamento d'água em que é feita a adição de cloro, pode-se ter pré ou pós-cloração. Pré-cloração é a adição de cloro que se faz à água bruta, antes de submetê-la à clarificação e filtração. Seu principal objetivo é a destruição da matéria orgânica dissolvida por oxidação, de forma a eliminar algas, bactérias e outros microoganismos que podem prejudicar a coagulação, floculação e filtração. Com isto, consegue-se a eliminação de cor, odores e gostos indesejáveis, redução do teor de ferro, manganês e gás sulfídrico. Pós-cloração é a cloração feita na saída da ETA, após clarificação. A pós-cloração é realizada com fins de desinfecção e, portanto, indispensável quando a água destina-se ao consumo humano. Sua aplicação é feita na tubulação de alimentação do tanque de água potável. A dosagem de cloro a ser utilizada na pós- 15 cloração deve ser suficiente para garantir a existência de 1 ppm de C l 2 após 2 horas de contato. Deste modo, consegue-se garantir a desinfecção ao longo de toda a rede de distribuição.


Quando a rede de distribuição de água potável é longa, como ocorre nas cidades, pode-se fazer a recloração da água em determinados pontos, como estações e elevatórias.

Sistema de cloração

Compõe-se, basicamente, dos seguintes elementos: – balança; – cilindro de cloro; – tubulações flexíveis para cloro líquido; – evaporados de cloro; – válvula redutora de pressão; – cloradores; – ejetor. O cloro líquido, mantido sob pressão nos cilindros, sobe pela tubulação e entra no evaporador, onde se aquece e vaporiza numa câmara. Obtém-se assim uma alta vazão de cloro gasoso a partir de cloro líquido. Na tubulação de saída do cloro gasoso, há uma válvula redutora-reguladora de pressão, que mantém baixa pressão na tubulação para evitar a formação de cloro líquido. Os cloradores são equipamentos cujo ob jetivo é regular, medir e controlar uma vazão determinada de cloro gasoso, e misturá-lo com água filtrada para fornecer uma solução de cloro que será injetada à água bruta. A dissolução do cloro na água é normalmente feita com a utilização de um ejetor, um dispositivo que succiona o gás quando atravessado por uma corrente de água pressurizada e permite obter solução de concentração até 1000 ppm.

1.4.6 Neutralização (correção de pH)

A neutralização de ácidos ou bases pode ser necessária para que determinada água esteja em condições de uso. Isto ocorre com a água potável e com a industrial, que devem ter os valores de pH compreendidos entre limites bem definidos. Após a clarificação e filtração, o pH da água filtrada é aproximadamente o pH ótimo de floculação (determinado em laboratório pelo “jar-test”), geralmente compreendido entre 6,5 e 7. Torna-se necessária a correção de pH através da adição de um produto alcalino, como cal, soda, carbonato de sódio. 16 O sistema de correção de pH compreende, basicamente, os seguinte equipamentos: – tanques de preparação da suspensão de cal; – bombas dosadoras; – registrador-controlador de pH.

A suspensão é recalcada dos tanques pelas bombas dosadoras e aplicada na tubulação de saída do reservatório de água potável ou no recalque das bombas de água industrial, conforme o caso. Em ambos os casos, a vazão de suspensão de cal enviada pelas bombas dosadoras é aumentada ou diminuída, automaticamente, em função do valor do pH medido a jusante dos pontos de aplicação.

1.4.7 Descloração

É o processo de tratamento d'água que visa a eliminação do cloro dissolvido, adicionado previamente à água. São dois os casos principais em que a água não pode apresentar cloro dissolvido: – águas com muita matéria orgânica ou contaminadas por despejos domésticos, que são supercloradas para fins de geração de água potável. Essas águas necessitam ser descloradas e recloradas em níveis mais baixos para envio aos consumidores. – águas que serão enviadas a unidades de desmineralização. Nesse caso, a eliminação de cloro é essencial, por atacar tanto as resinas catiônicas quanto as aniônicas, provocando sua deterioração ou diminuindo sua atividade. Entre os processos de descloração, podem ser citados: – processos químicos; – filtração através de leito de carvão ativo. Os processos químicos baseiam-se na introdução de produtos que reagem com o cloro dissolvido na água. O processo mais utilizado é, porém, a filtração sobre uma camada de carvão ativo. A reação química global pode ser, assim, escrita: 2 C l 2 + C + 2 H2O

→

4 HC l + CO2

O ácido clorídrico reage imediatamente com os sais de cálcio presentes na água, originando cloreto de cálcio, que fica dissolvido na água desclorada. Além disso, como o poder de absorção do carvão ativo também é elevado, boa parte das matérias orgânicas presentes na água pode ser absorvida, isto é, fixada às partículas de carvão por fenômenos físicos-químicos de superfície.

1.4.8 Processo de desmineralização

Os processos de clarificação, filtração e desinfecção adequam a água ao consumo humano e a alguns processos industriais básicos, tais como: reposição dos circuitos de resfriamento e água industrial para uso geral em processos e serviços. Para o fluxo da água de alimentação das caldeiras de alta pressão, ainda precisam ser removidos os sais minerais e os gases dissolvidos, pois devido às condições severas de pressão e temperatura, a presença de tais substâncias provoca sérios danos ocasionados por incrustrações e corrosão nos tubos internos. Assim sendo, uma parte do fluxo e do sistema de águas passa pelos processos de desmineralização e desgaseificação (desaeração). Nesta etapa, estarão sendo estudados os processos de desmineralização. Para atender a forte demanda da área industrial, os processos de desmineralização mais utilizados são: – resinas de troca iônica; – osmose reversa. Teoricamente, o processo de destilação seria outra opção, porém o alto custo energético necessário à mudança de fase da água no volume e vazão necessários torna-o absolutamente inviável.

1.4.9 Desmineralização por resinas de troca iônica

A desmineralização da água é o processo que permite a remoção total dos sais dissolvidos, através da passagem da água por produtos que substituem os íons dos sais presentes por íons de hidrogênio (H +) e hidroxila (OH–). Consegue-se a desmineralização da água fazendo-a atravessar, sucessivamente, uma camada de resina catiônica 1 de tipo R–H (que 1 Materiais trocadores de íons são substâncias (resinas) sólidas e insolúveis que têm propriedade de, quando em contato com soluções de eletrólitos, permutar íons de sua própria estrutura por íons da solução, sem que haja mudança de suas propriedades estruturais. A troca só se verifica entre íons cujas cargas elétricas tenham o mesmo sinal. Quando a troca é verificada entre cátions, as substâncias recebem o nome de trocadores ou resinas catiônicas e, no caso de ânions, são designados trocadores ou resinas aniônicas.


retém os cátions dissolvidos, trocando-os por íons H+) e uma camada de resina aniônica (que retém os ânions, trocando-os por íons OH –), ou então uma só coluna que contenha esses dois tipos de resinas (leito-misto). No primeiro caso, deve-se passar a água primeiramente pelas resinas catiônicas, pois estas são mais resistentes que as aniônicas, tanto química como fisicamente. Deste modo, as resinas catiônicas podem proteger as aniônicas, funcionando como um filtro e aparando certos constituintes danosos a resinas aniônicas. Representando por Rc – H a molécula de uma resina catiônica, e por R A OH a de uma resina aniônica, pode-se visualizar o processo de desmineralização de uma água através de duas reações de troca iônica: a) Na primeira reação, a água a ser tratada passa através de uma resina trocadora catiônica, onde os cátions presentes (Na +, Ca 2+) são adsorvidos pela substância sólida da resina, liberando quantidade equivalente de íon H +:

b) Na segunda reação, a água ácida (chamada decationizada) passa pela resina trocadora aniônica, onde os ânions presentes (C l –, SO42–) são adsorvidos e permutados por íons OH –:

Como se pode ver, o processo de desmineralização substitui os sais minerais presentes na água por moléculas de água, tornando-a desmineralizada.

Regeneração de trocadores iônicos

A fase de operação de um trocador iônico consiste, como foi visto na passagem de água a ser tratada através do leito de resina. Nesta fase, os íons existentes na água são retirados 17 pela resina que, por sua vez, vai esgotando a sua capacidade de troca. Quando a resina esgota-se, os íons não mais serão retidos e a resina deve ser regenerada.


A regeneração consiste na passagem de solução regenerante pelo leito de resina com finalidade de restabelecer a sua capacidade de reter íons. Como as reações de troca iônica são reversíveis, a renegeração da resina é feita passando através dela uma solução contendo íons H+ ou OH– em excesso, devolvendo assim sua capacidade de troca. Então: a) A regeneração das resinas catiônicas é feita com solução de um ácido forte, como sulfúrico (o mais usado) ou clorídrico. As reações que ocorrem são:

O ácido sulfúrico é mais usado pela maior facilidade de manuseio, pois não é corrosivo quando concentrado. Tanto a água descationizada como a solução regenerante são ácidas e, por isto, o vaso é revestido com borracha, ou feito de aço inoxidável ou plástico. As mesmas precauções valem para bombas, linhas, válvulas, etc. b) A regeneração das resinas aniônicas é feita com solução de soda cáustica, de acordo com as reações:

Os leitos mistos servem, portanto, como elementos de polimento final e de segurança, absorvendo qualquer escape anormal de sais das unidades de intercâmbio catiônico e aniônico.

Controle da qualidade da água desmineralizada O controle de qualidade da água desmineralizada pode ser efetuado através de três análises: – pH; – teor de sílica; – condutividade. PH: Na saída de um leito aniônico seria de se esperar um pH neutro, isto é, próximo a 7. Como sempre existe uma fuga de sódio nos leitos catiônicos, o pH efluente de leitos aniônicos será sempre alcalino em torno de pH 8. Sílica: Toda resina trocadora de íons sempre deixa passar pequena quantidade dos íons pelos quais tem menor afinidade. No caso de resinas aniônicas, o íon menos afim é o silicato. O ensaio do teor de sílica á importante porque uma parte dela geralmente não se encontra sob forma eletrolítica (ion silicato, SiO32–) e assim não influencia a condutividade. Condutividade: Ao sair do leito aniônico, a condutividade da água deveria ser muito baixa, já que a água, teoricamente, encontrase desmineralizada. Entretanto, como a reação de troca iônica não se processa totalmente, sempre existe uma fuga de íons, tanto na resina catiônica (sódio) quanto na aniônica (sílica), e esta fuga mantém uma determinada condutividade na água.

1.4.10. Desmineralização por membranas de osmose reversa Leito misto O princípio operacional do leito misto consiste na passagem da água a ser tratada através de um leito, contendo resinas catiônicas e aniônicas fortes, intimamente misturadas. Assim, o ácido formado pelo contato inicial de um sal com uma partícula trocadora catiônica será imediatamente neutralizado pela vizinhança do trocador aniônico. A alcalinidade formada pelo contato inicial do sal com o trocador aniônico será removida imediatamente pela resina trocadora catiônica. 18 Por este motivo, um leito misto é equivalente a um número quase infinito de unidades desmineralizadoras de dois estágios em série, eliminando praticamente todas as impurezas da água.

A tecnologia de osmose reversa, já utilizada desde a década de 60, teve seu mecanismo integrado para a produção de água ultrapura, utilizada na indústria a partir de 1976. Esta primeira geração de membranas demonstrou sua utilidade reduzindo a necessidade de regeneração dos leitos de troca iônica e de consumo e resina, além de significativas reduções de despesas na operação e manutenção destes leitos.

Osmose natural ou direta

Conceito de difusão Difusão é o movimento espontâneo de disseminação de uma substância no interior de outra. A difusão é um fenômeno muito freqüente na natureza. Verifica-se sempre que dois fluidos são colocados em contato.

Conceito de osmose Osmose é um caso particular de difusão, que se processa através de membrana. A difusão por osmose somente acontecerá caso se tenha um solvente, uma membrana semi-permeável e, do outro lado da membrana, um soluto dissolvido no solvente considerado. Na osmose, o mecanismo pelo qual o solvente passa através da membrana pode variar conforme o tipo de membrana. Pode-se, imaginar que a membrana seja como uma peneira, que permite a passagem de moléculas pequenas como as do solvente, por exemplo a água, enquanto retém as moléculas maiores como as do soluto, por exemplo sais inorgânicos.


Na figura 2, o compartimento A contém uma solução aquosa de sais inorgânicos e o compartimento B, água pura, separados por uma membrana semi-permeável. Através da osmose natural, a água contida no recipiente B, migrará através da membrana em direção à solução que contém o soluto até que haja o equilíbrio osmótico, conforme pode ser observado na figura abaixo:

Pressão osmótica Pressão osmótica é a pressão mecânica que se deve exercer sobre a solução, para impedir a passagem do solvente puro para a solução, através de uma membrana semi-permeável. Caso seja aplicado sobre a superfície da solução aquosa de sais inorgânicos, que está contida no recipiente A, uma pressão mecânica, bem acima da pressão osmótica da solução em questão, nota-se que haverá uma inversão do fluxo de solvente (água pura) e este migrará da solução que contém o soluto (sais inorgânicos), para o recipiente B, que contém água pura (solvente), conforme pode ser observado na Figura abaixo:

Osmose reversa ou inversa

A osmose reversa, como já foi visto anteriormente, deriva do fato de que a osmose natural ou direta é um processo reversível, através da aplicação de pressão mecânica no sentido inverso da osmose natural.

19


Portanto, no recipiente A, haverá uma concentração de sais, pois o solvente (água pura) está agora migrando do recipiente que contém o soluto para o recipiente que contém a água pura. Os sais ficam retidos na membrana. Este é o princípio da utilização da osmose reversa na indústria para a purificação da água.

1.4.11 Membranas de osmose reversa

Existem, atualmente, dois tipos de membranas de osmose reversa no mercado: – membranas de acetato de celulose, uma mistura de mono, di e tri-acetato de celulose, e – membrana de poliamida aromática. As diferenças entre as mesmas podem ser observadas na Tabela 1. Membranas

Aplicação em tratamento de água com salinidade < 15 g/L (15.000 ppm)

1. Material

B-9 poliamida aromática

Acetato de celulose

2. Forma

Fibra oca

Elemento em espiral

3. Dados físicos: Pressão normal de operação 28,6 kg/cm2 Temp. de operação (máx.) 35ºC Temp. de estocagem (máx.) 40ºC 4. Características químicas pH aceitável ataque bacteriológico cloro livre (dose contínua máxima aceitável)

4 a 11 não afeta pH < 8 = 0,1 ppm pH > 8 = 0,25 ppm

30,6 a 42,8 kg/cm2 30ºC 30ºC 4,5 a 6,5 alta sensibilidade 0,5 a 1,0ppm

O sistema de osmose reversa tem utilizado membranas semipermeáveis que retêm cerca de 90 a 99% das substâncias inorgânicas; cerca de 95 a 99% de substâncias orgânicas e 100% de matéria coloidal e finos (batérias, vírus, sílica coloidal, etc.). As membranas são colocadas em tubos modulares (módulos), que podem posteriormente sofrer ampliações, tanto no sentido horizontal como no sentido vertical o que torna este sistema muito flexível. A água passa através das membranas sob a ação da pressão, enquanto o rejeito concentrado é extraído continuamente do sistema através de válvula de controle de vazão, conforme o seguinte esquema:

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1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Alimentação de água a ser tratada. Água permeada. Rejeito. Bomba de alta pressão. Módulo de osmose reversa. Membrana semipermeável. Válvula de descarga de rejeito.

A razão entre o fluxo de água permeada e o fluxo de água de alimentação é denominada de taxa de conversão deste sistema, expressa em percentagem. As pressões a que devem ser submetidas as plantas de osmose reversa variam de 25 a 80 kg/cm2 e dependem de diversos fatores como taxas de conversão, qualidade da água a ser tratada, concentração dos solutos, etc. Na Tabela 2, podem ser observados alguns valores típicos de pressão osmótica de alguns sais em solução aquosa.

Sal NaC l NaC l Na2SO4 MgSO4 Cal2 NaHCO3 MgC l 2

Concentração (mg/L) Pressão osmótica (kg/cm2) 35.000 1000 1000 1000 1000 1000 1000

28,42 0,81 0,43 0,26 0,59 0,91 0,68

As membranas são montadas em elementos chamados módulos. O esquema mais simples de utilização consiste em colocar em série uma bomba de alta pressão e um módulo: a água pura atravessa a membrana, sob o efeito da pressão enquanto que um rejeito concentrado é evacuado continuamente. ALIMENTAÇÃO

Água + Material dissolvido (concentração C0)

Água + Material dissolvido (concentração C1) C1 >>> C0

PERMEADO

Água + Material dissolvido (concentração C) C <<< C0 REJEITO

1.4.12 Módulos com elementos enrolados em espiral

Neste arranjo, pares de membranas são enrolados circularmente a um tubo central que coleta o permeado. O fluxo de água a ser tratado entra paralelamente ao tubo central, através de lacunas produzidas por espaçadores que


ficam entre as duas faces ativas da membrana. O permeado é coletado em um material poroso, através do qual, flui ao tubo central de onde é coletado, como pode ser visto na figura abaixo. Revestimento de Fiberglass ou Resina Rejeito Produto

Alimentação

Rejeito

Espaçador

Fluxo de Alimentação

Produto

Fluxo de Produto (após passagem pela membrana)

Membrana

Produto contido entre membranas Poliamida Camada de barreira ultrafina 0,2 µm 40 µm

Polissufona Microporosa Polissulfona Microporosa

120 µm Tecido de reforço

1.4.13 Sistemas de osmose reversa

Um sistema de Osmose Reversa consiste, basicamente, de uma bomba de alimentação, um permeador e uma válvula na saída do re jeito para controlar a conversão do sistema. De uma maneira mais completa, a Figura a seguir mostra um fluxograma básico para um sistema com um único permeador.

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1.4.14 Pré-tratamento Para manter uma ótima performace, a água de alimentação do sistema de osmose reversa deve ser tratada de modo a evitar a formação de incrustações, depósito de partículas insolúveis e crescimento de bactérias na membrana. As operações utilizadas no pré-tratamento são basicamente determinadas pela natureza química das membranas e pela configuração dos permeadores. Anti-incrustantes são requeridos por todos os tipos de membranas e permeadores. Para membranas de acetato de celulose, o pH é ajustado geralmente pela adição de ácido para retardar a hidrólise, enquanto que para membranas de película composta e aramida são utilizados tanto o ácido como o abrandamento por troca iônica. O grau de pré-tratamento para evitar “fouling” pela presença de matéria coloidal é diferente para cada configuração de permeador, sendo maior a exigência do permeador de fibra ôca, seguido pelo espiral e pelo tubular. O “fouling” biológico pode ser evitado pela adição de cloro, porém filtros descloradores de carvão ativado devem ser utilizados para as membranas de película composta e aramida. Para as membranas de aramida, periodicamente, pode ser feito um tratamento biológico de choque usando bissulfito de sódio, iodo ou 22 peróxido de hidrogênio, caso o “fouling” biológico venha a ocorrer após a descloração.

1.4.15 Vantagens e limitações da osmose reversa – A separação na osmose reversa é obtida sem mudança de fase, assim a energia requerida é baixa. Para água salobra é da ordem de 1,6 a 21 kwh/m 3. Reduções no consumo podem ser obtidas pela utilização de turbinas e recuperação de pressão instaladas no fluxo de saída do rejeito. – A osmose reversa é usada basicamente para reduzir a salinidade, porém também reduz a sílica e material orgânico coloidal com alto peso molecular. Assim, quando complementado por um sistema de troca iônica convencional, é utilizado para água de alimentação para fabricação de componentes. – A água produzida pela osmose reversa tem qualidade constante. O processo é contínuo, não necessita de regenerações periódicas, o que reduz o consumo de produtos químicos e não gera efluentes. – Os sistemas são compactos, ou seja, requerem áreas menores que outros. – Os componentes desses sistemas são familiares, consistindo basicamente de filtros e bombas, facilitando a operação e manutenção.

São projetados sistemas automáticos de proteção e controle de modo a evitar erros de operação. Muitos desses sistemas são projetados para operar automaticamente através de intertravamento dos motores das bombas e chaves de nível no tanque de produto. Dessa forma, a interferência do operador é mínima, requerendo pouca manutenção. A disponibilidade de uma planta de osmose reversa é muito alta ficando entre 85 e 95%. Como essas plantas são modulares, a manutenção pode ser feita sem a parada total da planta. Essa característica modular permite também facilidade para eventuais expansões. Dependendo do tipo de membrana utilizada e do grau de pré-tratamento, estas plantas podem operar com sucesso por muitos anos.

1.4.16 Limitações

Apesar das inúmeras vantagens da osmose reversa, o processo tem suas limitações. Na prática a pressão aplicada excede a pressão osmótica em 14 kg/cm 2 ou mais; dessa forma, normalmente, é evitado para soluções com alta concentração de sais. Os limites superiores de temperatura para o acetato de celulose, aramida e película composta são de 30 a 40°C, 35 a 45°C e 45 a 50°C, respectivamente. Acima desses limites, as per-


das de produtividade são excessivas devido à compactação da membrana. Como o sistema é sensível a incrustações, geralmente, é requerido um pré-tratamento. Todos os tipos de permeadores são severamente afetados pela presença de óleos ou graxas e portanto, é necessária sua prévia remoção. Para atingir uma vida útil desejada, as soluções devem ser compatíveis com as membranas e os componentes utilizados. Muitas vezes, a natureza de um efluente ou solução a ser tratada não é totalmente conhecida, exigindo testes pilotos para medir sua eficiência e compatibilidade.

1.4.17 Aplicações Sistemas de osmose reversa produzem água potável para as mais diferentes aplicações, servindo cidades, indústrias, comércio, bem como pequenos sistemas para plataformas de petróleo, condomínios, fazendas, hospitais, hotéis, motéis, laboratórios e outras indústrias. A capacidade dessas plantas varia de alguns litros por hora até plantas para 95.000 m3 /dia. A Figura a seguir mostra a faixa de aplicação da osmose reversa comparada com outras tecnologias.

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Por exemplo, na água de alimentação de caldeiras de alta pressão, o sistema tradicional de troca iônica é substituído com vantagens pelo sistema de osmose reversa, seguido de um leito misto para polimento. O custo dessa alternativa é reduzido drasticamente pela redução no consumo de produtos químicos na regeneração e neutralização dos efluentes. Também para caldeiras de baixa pressão o sistema combinado com abrandamento apresenta custo operacional atraente. Além dessas aplicações, o sistema tem se mostrado útil para a preparação de água de processo, na indústria química.Típico uso inclui a produção de água com alta pureza para laboratórios, para lavagem de filtros, de metais e em reações de polimerização. A osmose reversa também tem sucesso na reciclagem e recuperação de rejeitos industriais e no tratamento de efluentes.

1.5 Sistema de Resfriamento

Na maioria dos processos industriais, há a necessidade de resfriamento de equipamentos e maquinarias em geral que geram uma certa quantidade de calor durante sua operação. O fluido, geralmente utilizado para dissipar esse calor gerado, é a água, devido ao seu baixo custo e boas características físicas, por exemplo alto calor específico e baixa viscosidade. Após sua utilização, pode-se eliminar a água do sistema ou então resfriá-la e reaproveitá-la no sistema de resfriamento. Os sistemas podem, portanto, ser classificados em três categorias: – sistema aberto; – sistema semi-aberto de recirculação; – sistema fechado. A escolha deles depende de vários fatores: – quantidade de água disponível; – qualidade da água; – temperatura da água; – tipo de operação; – tamanho do equipamento; – limitações da qualidade do efluente industrial, etc.

1.5.1 Sistemas abertos

Sistemas abertos ou de passagem única 24 (“once-through”) são aqueles cuja água de refrigeração, após passar pelos equipamentos que geram calor, não mais retorna a eles, sendo descarregada no local de origem ou em outra parte.

Devido ao grande consumo de água, este sistema somente é utilizado quando existe suficientemente disponibilidade da mesma. Refinarias, indústrias químicas, usinas termoelétricas, etc., quando localizadas no litoral, muitas vezes utilizam água do mar como meio de resfriamento. Todavia, apresenta a desvantagem da impraticabilidade do tratamento químico da água para a prevenção de problemas de corrosão e incrustação devido ao custo excessivo do tratamento e do lançamento de produtos químicos poluentes no local de despejo. Além disso, a poluição térmica resultante da descarga de grandes volumes de água quente pode tornar-se problemática em muitas regiões.

1.5.2 Sistemas semi-Abertos de recirculação

São aqueles em que a água circula pelos equipamentos, é refrigerada em uma torre de resfriamento ou outro sistema aberto ao ar e retorna para posterior uso já a uma temperatura adequada. Este sistema consiste na reutilização da água de resfriamento, após resfriada na torre de resfriamento, seguindo um círculo fechado, ao qual se adiciona apenas uma pequena quantidade de água de reposição (“make-up”) destinada a cobrir as perdas que se verificam durante o ciclo. Este tipo de sistema é utilizado quando a vazão de água requerida é grande e a disponibilidade de água limitada. Suas principais vantagens são: – segurança no fornecimento de água fria; – pequena reposição de água em cada ciclo, apenas para substituir a que se perde por respingo, drenagem e vazamentos; – possibilidade de emprego econômico e eficaz de tratamento para água.

1.5.3 Sistemas Fechados

São aqueles em que a água circulante pelos trocadores de calor é refrigerada por meio de um outro fluido, que não entra em contato com a água. Este sistema permite manter a água de refrigeração em temperaturas mais baixas ou mais altas que os anteriores.

1.6 Torres de Resfriamento

1.6.1 Tipos de Torres de esfriamento

O ar necessário para garantir a troca de calor pode provir da convecção por diferenças de temperatura (e, conseqüentemente, diferenças de densidade) ou por movimentação mecânica, com auxílio de ventiladores. A partir disto, as torres são classificadas de acordo com os seguintes tipos principais: – torres de ventilação ou atmosféricas;

1.6.2 Elementos da torre

Uma torre de resfriamento de água é composta, basicamente, pelos seguintes elementos: a) Tubulação e tanques de distribuição e redistribuição A água a ser resfriada chega na parte superior da torre através de duas tubulações que correm ao longo do eixo longitudinal da torre. Cada célula possui dois tanques superiores (um de cada lado), que distribuem a água por meio de tubos de porcelana, por cima do enchimento. A água cai por gotejamento até o tanque inferior, atravessando o enchimento. Na parte intermediária, existe um tanque de redistribuição, de cada lado, que permite uma distribuição mais uniforme da água.


– torres de tiragem natural; – tiragem forçada. A seleção do tipo a ser usado é função de diversos fatores, tais como: custo da torre, custos de manutenção, carga calorífica, condições climáticas, etc.

Torre de Fluxo cruzado (“Cross-Flow”) O tipo de torre de resfriamento mais utilizado nas refinarias é do tipo de tiragem mecânica induzida de fluxo cruzado “cross-flow”.

Cada célula, por sua vez, possui, ao longo do eixo longitudinal da torre, uma parede com a finalidade de garantir uniformidade de funcionamento dos dois lados da torre, mesmo com ventos predominantes. b) Plenum Espaço vazio por onde passa o ar após caminhar pelo enchimento, antes de ser expulso da torre. c) Equipamento mecânico Conjunto composto por ventilador, redutor de velocidade ou polias, eixo de transmissão ou correia, motor de acio- 25 namento e chassi suporte. Este conjunto é responsável pela circulação do ar quando a torre é do tipo tiragem mecânica.


d) Venezianas de entrada de ar São telhas especiais de cimento-amianto, com finalidade de guiar o ar uniformemente para dentro da torre e evitar eventuais respingos.

e) Enchimento É um arranjo de superfícies de troca de calor entre o ar e a água. Sua função é aumentar a área de contato entre o ar e a água e manter uma distribuição adequada dos mesmos. Consta de: – Sarrafos distanciadores Feitos de maçaranduba aplainada. Têm a finalidade de sustentar as ripas de contato, garantindo espaçamento entre elas, além de formar canais de ar no sentido transversal ao eixo longitudinal da torre. – Ripa de contato Feitas de maçaranduba serrada, em entalhes. São colocadas nos sarrafos e constituem a superfície de contato entre o ar e a água. – Ripas de amarração São ripas de comprimento três vezes maior que as ripas de contato. Têm a finalidade de amarrar três pilhas grandes vizinhas (duas ripas por grade). f) Eliminador de gotas É um sistema de aletas usado com a finalidade de reduzir ao mínimo as perdas das partículas de água no ar de descarga (saturado). Nestes equipamentos, o ventilador cria um fluxo de ar horizontal, enquanto a água cai através da corrente de ar. Para isto, o sistema de veneziana é disposto ao lado do enchimento e em toda sua altura. Os eliminadores de respingos são colocados na parte interna da torre, paralela ao enchimento. O distribuidor de água é colocado na parte superior e externa da estrutura e a água cai no enchimento por gravidade. Este fato faz o sistema de distribuição de água de fácil limpeza e desobstrução. Estes sistemas admitem uma ou duas células acopladas a cada ventilador. No último caso, tem-se uma maior área de evaporação operanmesmo custo. 26 do aoSuas principais vantagens são: – baixa perda de carga do ar, portanto menos potência dos ventiladores; – fácil acesso ao sistema de distribuição, mesmo com a torre em operação;

– a altura do enchimento de contato é praticamente a altura da torre. Por outro lado, neste tipo de torre, há maior tendência à formação de algas no sistema de distribuição, devido à sua exposição na atmosfera.

Perdas

Numa torre de refrigeração, as perdas de água ocorrem de duas maneiras: – Perdas por evaporação A troca de calor na torre é decorrente da evaporação de parte de água que nela circula. Esta perda é da ordem de 1% para cada 5,5°C da queda de temperatura através da torre. – Perdas por arraste São perdas de água em forma de gotas, arrastadas pelos ventiladores ou por ação lateral do vento, em função do projeto da torre. Um valor médio é de 0,25% da água em circulação.

Purga

É a eliminação intermitente ou contínua de parte da água em circulação para manter o teor de sólidos nela dissolvidos. Os vazamentos no sistema de resfriamento e as perdas por arraste implicam em menor quantidade de purga necessária. A purga é, normalmente, expressa em porcentagem da água em circulação.

1.6.3 Estudos Psicrométricos do Ar Atmosférico O campo da Física que estuda as propriedades do ar atmosférico (ar + vapor d'água) chama-se “Psicrometria”. Este estudo é muito importante na operação da torre de resfriamento, onde ocorre troca de calor por contato direto ar/água. Serão vistos alguns conceitos importantes no estudo psicrométrico do ar: a) Umidade Absoluta (U.A.) É o número de gramas de água existente em 1 kg de ar seco. b) Umidade Relativa (U.R.) É a relação entre a quantidade de água existente no ar (umidade absoluta) e a quantidade de água que existiria no ar se o mesmo estivesse saturado à mesma temperatura. Quando a umidade relativa é 100%, diz-se que o ar está saturado.

c) Calor total ou Entalpia (H) É a quantidade de calor contida no ar e no vapor d'água presente no mesmo. É medida em kcal/kg de ar seco. d) Temperatura de Bulso Seco (TBS) É a temperatura de ar medida em um termômetro, cujo bulbo esteja envolvido pelo próprio ar ambiente. Normalmente, quando se diz “temperatura ambiente” ao “ar”, refere-se à sua temperatura de bulbo seco. e) Temperatura de Bulbo Úmido (TBU) É a temperatura de equilíbrio obtida na superfície da água quando exposta ao ar, de tal forma que o calor transferido pelo ar à água seja igual ao calor latente necessário à vaporização da água. A temperatura de bulbo úmido é obtida revestindo-se o bulbo do termômetro com um algodão úmido. Quando o ar não está saturado, há evaporação da água contida no algodão, retirando calor do bulbo do termômetro, havendo abaixamento da coluna de mercúrio. Por isso, quando o ar não está saturado, a temperatura de bulbo úmido é menor que a temperatura de bulbo seco. À medida que o ar satura-se, a temperatura de bulbo úmido vai ficando mais próxima da temperatura de bulbo seco, até que se igualam para um ar 100% saturado. A diferença entre a temperatura de bulbo seco e de bulbo úmido mede, portanto, o grau de saturação do ar. Determinando-se as temperaturas de bulbo úmido e bulbo seco, pode-se obter as demais propriedades do ar através da Carta Psicrométrica do ar. Exemplo: – Determine a umidade absoluta do ar com 60% de umidade relativa e uma temperatura de 30°C, para uma pressão barométrica padrão de 101,3 kPa. Considerando → U.A = 0,0160 kg vapor/ kg ar seco O tamanho da torre está diretamente ligado à típica da região TBU típica da região, portanto o valor usado para projeto deve basear-se em dados locais médios.


1.6.4 Conceitos & Considerações complementares Aproximação (“Approach”) É a diferença entre a temperatura da água fria na saída da torre e a temperatura de bulbo úmido doar ao entrar na torre. Este valor é muito importante porque representa teoricamente a menor temperatura que pode ser conseguida na água resfriada.

Balanço material

Taxa de evaporação (E) É a quantidade de água perdida por evaporação a fim de resfriar a água circulante. Este calor é fornecido pela própria água que em conseqüência se resfria. Perdas por arraste (A) É a quantidade de água perdida na torre, devido ao vento lateral ou ao arraste pelos ventiladores. Normalmente, é expressa em porcentagem da taxa de circulação. Um valor médio para torres de tiragem mecânica é de 0,1% a 0,3% da água em circulação. Purga (“Blow-Down”) (B) É a eliminação intermitente ou contínua de parte da água em circulação para manter o teor de sólidos dissolvidos na água. Vazamentos no sistema de resfriamento e as perdas por arraste implicam em menor quantidade de purga necessária. É expressa, geralmente, em porcentagem da água em circulação. A água de reposição ou “make-up” (R) deve ser adicionada para substituir a água perdida por evaporação, purga e arraste: R=E+B+A Nesta expressão, os parâmetros R, E, B e A são muitas vezes expressos como porcentagem da água circulante.

1.6.5 Corrosão em sistemas de água de resfriamento

O ferro se corrói em água pura contendo oxigênio dissolvido formando hidróxido ferroso (escuro) e óxido férrico hidratado (ferrugem), de acordo com as equações: Fe + H2O + 1/2 O2 → Fe(OH)2 2 Fe(OH)2 + H2O + 1/2 O2 → Fe2O3 . 3 H2O 27 As principais características da água que afetam sua corrosividade são a quantidade de oxigênio dissolvido, o pH e o teor de sólidos


dissolvidos e em suspensão. Também a presença de CO2 e outros gases dissolvidos, bactérias e outros microorganismos exercem influência. Quanto aos fatores operacionais, os principais são a temperatura e a velocidade da água.

1.6.6 Fatores que influenciam a corrosão pela água Oxigênio dissolvido Assim como a água, oxigênio é geralmente considerado um pré-requisito para haver corrosão. Isto se aplica principalmente a ferro, cobre, zinco, ligas de cobre (latão, bronze) e à maioria das ligas de níquel, que corroem mais depressa na presença de oxigênio ou outros oxidantes. Sólidos dissolvidos De um modo geral, quanto maior a quantidade de sais dissolvidos na água, maior sua corrosividade, devido ao aumento da condutividade elétrica. O íon cloreto, em particular, exerce um efeito acelerador da corrosão, interferindo na formação de filmes protetores e inibindo a atuação de cromatos. A água do mar é, por este motivo, um dos mais energéticos agentes corrosivos naturais. Temperatura Como toda reação química, o aumento da temperatura provoca aumento na taxa de corrosão do aço. Em sistemas abertos, ou seja, sistemas em que o oxigênio dissolvido tem possibilidade de escapar para a atmosfera, verifica-se que a taxa de corrosão cresce continuamente até 70-80°C, quando passa a decrescer. A causa é que, acima dessa temperatura, a solubilidade de O 2 na água diminui rapidamente e assim os teores de O2 dissolvidos são cada vez menores. Devido a esse aumento na corrosividade da água com a temperatura, é prática usual limitar a temperatura do Sistemas de resfriamento em 50°C (120°F).

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Efeito do pH O pH é um importante fator no controle da corrosão: muitos (mas não todos) metais são resistentes em soluções alcalinas (pH superior a 7) e são atacados em meio ácido (pH inferior a 7).

Sólidos em suspensão A água de refrigeração é, muitas vezes, uma fonte de sólidos em suspensão, em forma de areias, matérias orgânicas, produtos de corrosão, contaminação pelo processo, algas e lamas coloidais. Os sólidos ao se depositarem no sistema aumentam muito a possibilidade de desenvolvimento de corrosão localizada por aeração diferencial. Além dos problemas de corrosão que acarretam, os sólidos em suspensão diminuem a eficiência da transferência dos tubos, impedindo a unidade de continuar operando. Velocidade – corrosão – erosão Erosão É o desgaste mecânico de um material metálico produzido pela incidência direta de um fluido sobre sua superfície. Corosão-erosão É a combinação do desgaste mecânico provocado pela erosão e ação química da corrosão. O resultado final será um desgaste muito maior do que se apenas o processo corrosivo ou erosivo agisse isoladamente. Este problema é comum em equipamentos que operam sob condições de turbulência, fluxo em duas fases, mudanças de direção ou quando há partículas sólidas no líquido. Como exemplos de equipamentos sujeitos à erosão, podem ser citados: válvulas, bocais de entrada e saída de vasos e permutadores, tubos e quebra-jatos de permutadores, impelidores, curvas de tubulações, bombas, centrífugas, agitadores, lâminas de turbinas, linhas de vapor, chicanas, etc. O fator mais importante para o desenvolvimento da corrosão – erosão é a velocidade de escoamento. A taxa de desgaste é, a grosso modo, proporcional ao cubo da velocidade. Em alguns casos, a velocidade de escoamento pode até diminuir o ataque, permitindo, por exemplo, que um inibidor atinja de forma mais eficaz a superfície metálica. Assim, menos NaNO2 é requerido para proteger o aço em água potável, quando a velocidade é aumentada. Por outro lado, velocidades de escoamento muito baixas também causam problemas, pois podem levar à formação de condições de estagnação em curvas, sob depósitos e em festas, com acúmulo de sujeira e produtos de corrosão. Nestas condições, criam-se áreas anódicas devido à aeração diferencial e, daí, a corrosão localizada sob os depósitos.

Outros fatores que influenciam a corrosãoerosão são: dureza e angulosidade das partículas sólidas, características corrosivas dos fluidos, pH da água, etc.

1.6.7 Inibidores de corrosão

O combate à corrosão em sistemas de resfriamento fechados e abertos com recirculação é feito adicionando à água produtos químicos, denominados de inibidores, que reagem quimicamente com o metal ou se adsorvem nas superfícies prevenindo o processo corrosivo. Conforme os inibidores interfirem na reação catódica ou anódica, podem ser classificados em: – anódicos; – catódicos; – mistos (associação de inibidores)

Inibidores anódicos Os inibidores anódicos atuam polarizando as regiões anódicas pela formação de filmes aderentes e insolúveis sobre a superfície do metal. Estes inibidores são, todavia, perigosos no aspecto em que precisam proteger completamente as áreas anódicas para serem eficientes. Isto requer que se use uma concentração mínima de inibidores em todos os pontos do sistema, caso contrário, haverá corrosão localizada nos pontos onde há proteção, com formação de pites, devido à grande relação área catódica/ área anódica, provocando assim, falhas e furos nos tubos com mais intensidade do que se não houvesse inibidor presente. Após contato inicial com solução concentrada de inibidor (que forma a película protetora), pode-se reduzir a concentração, ou, então, adicionar o inibidor de tempos em tempos. Os inibidores anódicos são basicamente os seguintes: nitritos, silicatos e cromato. O cromato é, provavelmente, o mais eficiente inibidor de corrosão para sistemas de refrigeração. A proteção é oferecida pela formação sobre o metal de um filme contendo 90% óxido férrico e 10% óxido de cromo, com eso pessura da ordem de 50 A. Cromato é considerado o mais eficiente inibidor de corrosão para aço carbono, ferro fundido e aço inoxidável. Sua toxidez ao homem e aos peixes tem restringido sua utilização em sistemas abertos com recirculação onde há necessidade de purgas, sendo mantido, apenas, nos sistemas fechados (resfriamento de máquinas).


Inibidores catódicos Inibidores catódicos atuam reprimindo reações catódicas, ou seja, evitando o contato do oxigênio com o metal que se quer proteger. São classificados como inibidores catódicos o zinco, os polifosfatos e os fosfonatos orgânicos Os inibidores catódicos são considerados mais seguros, pois atuam em qualquer que seja sua concentração, porém são menos eficazes que os anódicos. Por este motivo, é comum em sistemas de refrigeração, empregar-se uma associação de inibidores catódicos e anódicos. Combinações de inibidores Apesar dos inibidores individuais oferecerem uma proteção metálica razoável, trabalhos de pesquisa mostraram que algumas combinações de inibidores ultrapassam os resultados esperados. O fenômeno em questão é chamado efeito sinérgico. A mistura de inibidores tem como conseqüência a obtenção de um tratamento com maior proteção a baixas concentrações dos inibidores utilizados, e com a sensível diminuição da nucleação de “pites” (corrosão localizada) nos metais. Dentre as combinações mais empregadas podem ser citadas as seguintes: – Cromato – Polifosfato; – Cromato – Zinco; – Cromato – Polifosfato – Zinco; – Polifosfato – Zinco; – Polifosfato – Fosfonato – Zinco. Polifosfato – Fosfonato – Zinco Esta mistura de inibidores é bastante utilizada nos tratamentos não-cromatos de grandes sistemas de refrigeração. A mistura, quando utilizada corretamente, protege adequadamente aços, cobre e suas ligas. As concentrações de polifostafos e polifosfonatos deverão estar em torno e 10 ppm como PO 4– e a de zinco como 1 a 2 ppm em Zn ++.

1.6.8 Depósitos e incrustações

Depósitos são constituídos de material fracamente aderido à superfície metálica, enquanto que as incrustações (“scale”) são formadas por material inorgânico duro aderente. 29 Ambos causam problemas ao sistema de resfriamento: – obstrução da água circulante, com a conseqüente diminuição da vazão


(e aumento da temperatura do sistema) e aumento da queda de pressão (requerendo maior potência gasta para bombear a água); – formação de pilhas de aeração diferencial, provocando corrosão sob depósitos; – redução da eficiência nas trocas térmicas, pelo fato de crostas e depósitos serem isolantes; – maior freqüência nas paradas para limpeza do sistema, ocasionando perda de produção.

1.6.9 Formação de depósitos em sistemas de resfriamento

Depósitos são oriundos de uma ou mais causas, abaixo relacionadas:

Sólidos em suspensão Os sólidos suspensos na água tendem a se depositar em regiões de baixa velocidade (inferior a 1 m/s). Além disso, partículas coloidais coagulam por aumento de temperatura, formando depósitos. Depósitos metálicos Ions Cu2+ na água de resfriamento depositam cobre metálico sobre tubos de aço, de acordo com: Cu + Fe → Cu + Fe 2+

2+

O cobre metálico depositado forma, então, uma pilha galvânica com o ferro vizinho, provocando pites. A origem da presença dos íons Cu 2+na água pode ser tanto a corrosão de tubos e válvulas de latão (ligas de cobre e zinco), como a adição de CuSO4 usado como algicida.

gerando precipitação sob a forma de cristais. Na fase de nucleação, aumentam os pontos de crescimento dos cristais, e, somente após um certo tempo de contato são formadas as incrustrações, que com o passar do tempo vão endurecendo e tornando-se aderentes, difíceis de remover. Uma incrustação com 0,25 mm de espessura é suficiente para reduzir o coeficiente de transferência e calor no trocador em até 8090%, daí a importância de sua prevenção. Os principais fatores que influenciam a formação de incrustrações são:

Aumento de temperatura Muitos sais diminuem sua solubilidade com o aumento da temperatura. O exemplo mais importante é o sulfato de cálcio, que a 40°C é muito mais solúvel que o carbonato de cálcio (2.000 ppm CaSO4 contra 40 ppm CaCO3), mas, em temperaturas mais altas, tem sua solubilidade reduzida para faixa 300–500 ppm. Aumento da alcalinidade Em condições alcalinas, a solubilidade do CaCO3 diminui, aumentando sua tendência incrustante. Por outro lado, em pH < 6, a crosta de CaCO3 é dissolvida: CaCO3 + H2SO4 → CaSO4 + CO2 + H2O

Baixa velocidade de fluxo Permite maior tempo para nucleação e crescimento dos cristais, propiciando, assim, a formação de incrustação densa e aderente.

Produtos de corrosão Ions de Fe2+ introduzidos pela água de reposição ou formados por corrosão, provocam depósitos volumosos de óxidos férricos devido à oxidação pela água aerada ou clorada: 2 Fe2+ + 4OH– + H2O + 1/2 O2 → Fe2O3 . 3 H2O

Outros fatores A corrosão da tubulação aumenta sua rugosidade, permitindo o estabelecimento de mais pontos de nucleação e crescimento dos cristais, o que favorece a formação de incrustações. Da mesma forma, a atividade microbiológica permite a formação de depósitos, sob os quais ocorre corrosão por aeração diferencial, de forma localizada, o que contribui para a incrustação.

1.6.10 Formação de incrustações

Principais agentes incrustantes

Incrustações ou crostas são depósitos ade30 rentes, precipitados ou cristalizados na superfície de troca térmica. Mudanças físico-químicas na água fazem com que a concentração de um sal exceda sua solubilidade numa dada temperatura, provocam sua supersaturação,

Carbonato de cálcio O carbonato de cálcio é o principal agente causador de incrustações em sistemas de resfriamento. Quando a água é aquecida, ocorre precipitação de CaCO 3, que provoca incrustações nas tubulações.

Sulfato de cálcio CaSO4 forma incrustações por aumento de temperatura, uma vez que sua solubilidade cai rapidamente com a temperatura, tornando-o supersaturado, provocando, então, sua precipitação. Sílica Presença de sílica solúvel, junto a sais de magnésio ou cálcio, forma incrustações vítreas: Na2SiO3 + Ca2+ Na2SiO3 + Mh2+

CaSiO3 + 2 Na+ → MgSiO3 + 2 Na+

→

1.6.11 Controle de depósitos e incrustações Tratamento ácido

Normalmente, usa-se ácido sulfúrico (10%) para manter o pH na faixa de 6 a 7, para evitar incrustações, adicionando inibidores para controlar a corrosão.

Tratamentos alcalinos

Neste tipo de tratamento, ao contrário do anterior, procura-se trabalhar na faixa de pH onde a corrosividade da água é menor, consumindo, assim, menor quantidade de inibidor de corrosão. Por outro lado, nessa faixa a tendência à incrustação é maior, requerendo a adição de inibidores de incrustação. São produtos que atuam impedindo a precipitação de sais incrustantes de Ca (carbonato, sulfato) e Mg (hidróxido), quando utilizados em quantidades muito menores que as estequiométricas, tornando-se, então, economicamente interessantes. Os principais são os polifosfatos e os fosfonatos. O mecanismo de atuação como antiincrustante é semelhante para ambos: polifosfatos e fosfonatos adsorvem na superfície dos cristais, distorcendo seu crescimento. Com isto, a precipitação fica não-aderente, formando uma “lama fosfática” facilmente removida do sistema por meio de purgas. O uso combinado de polifosfatos ou fosfonatos com polímeros (taninos, ligninas sulfonadas, entre outros) apresenta efeito sinérgico na ação anti-incrustante.

Métodos mecânicos

Incluem a filtração “side-stream” e o controle dos ciclos de concentração. A filtração é efetuada sobre uma pequena fração (1 a 5%) da água circulante, suficiente para manter uma concentração de sólidos


suspensos aceitável (máxima 100 ppm). Testes mostraram que esta providência já permite uma boa redução na corrosividade da água. As purgas na água de resfriamento têm por objetivo reduzir a concentração de sais dissolvidos, controlando os ciclos de concentração e evitando, assim, que ocorra supersaturação de sais potencialmente incrustantes como o CaSO4.

1.6.12 Tendência corrosiva ou incrustante da água Equilíbrio na dissolução e deposição de CaCO 3 O entendimento da estabilidade do carbonato de cálcio, constitui-se um recurso valioso para avaliar a agressividade da água. Como visto anteriormente, a dureza na água de recirculação deve-se ao bicarbonato de Ca++ (e outros sais de Ca e Mg). Com a elevação de temperatura ocorre a seguinte reação: Ca (HCO3)2

calor

CaCO3 + CO2 + H2O

Em água não estável, supersaturada, este CaCO3 pode vir a se depositar sobre a superfície do metal, formando uma camada fina que servirá como proteção contra a corrosão; porém, com o aumento da espessura deste depósito, haverá formação de incrustações que poderão acarretar problemas na troca térmica e entupimento de tubos. Por outro lado, caso não haja nenhum depósito, haverá tendência para corrosão, conforme é mostrado na seqüência a seguir:

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Controle da qualidade da água em circulação

Inibição de corrosão A água utilizada nos sistemas de refrigeração do tipo aberto com recirculação poderá apresentar tendência à incrustação ou corosão nas superfícies dos equipamentos (tubulações, tubos dos trocadores de calor, etc.) A tendência à incrustação ou corrosão da água em circulação pode ser conhecida através da determinação do “Índice de Saturação do Cálcio” (pH-pHS), cujo cálculo foi desenvolvido pelo professor W.F. Langelier da Universidade da Califórnia, nos Estado Unidos. O valor de pHS (pH de saturação do carbonato de cálcio) é determinado pela seguinte expressão: pHS = (9,3 + A + B) – (C + D), onde: A = f (sólidos dissolvidos totais); B = f (temperatura); C = f (dureza em cálcio); D = f (alcalinidade total). Os valores A, B, C, D são encontrados em tabelas. Calculando-se Valor I S = pH – pHS, em que o valor pH refere-se à água em circulação, pode-se ter três condições: IS < 0 : A água em circulação tem características corrosivas. IS = 0 : A água está estabilizada (não corrói nem incrusta). IS > 0 : A água em circulação tem características incrustantes. Exemplo de aplicação Dados: pH da água circulante : 7,2 Sólidos totais : 300 ppm Dureza de cálcio : 56 ppm CaCO 3 Alcalinidade total : 45 ppm CaCO 3 Temperatura máxima da água quente: :52°C 32 Verificar se a água tem tendência incrustante ou corrosiva. Na prática, procura-se manter I S negativo, indicando uma tendência corrosiva da água em circulação.

Porém, são utilizados os chamados inibidores de corrosão, dentre os quais os mais freqüentes o Polifosfato de sódio e o Bicromato de sódio. A eficiência de inibidores com estes produtos ocorre a um pH de água entre 6,5 a 7,5. A ação do inibidor consiste na formação de uma película protetora muito fina, de grande resistência e flexibilidade, não havendo interferência alguma nas trocas de calor. Esta película impede a reação de corrosão anódica: Fe° Fe++ = 2.e Além da aplicação dos inibidores, deve-se manter uma velocidade razoável da água dos equipamentos, a fim de evitar depósitos, com conseqüente formação de “pites” profundos. Além dos aspectos relativos a corrosão metálica, a água não deverá atacar a madeira dos elementos de contato. O ataque à madeira poderá ser: químico, físico ou biológico. Para preservar a madeira é prevista a injeção de um biocida, a fim de prevenir o ataque biológico. A injeção prévia de cloro na água bruta, na estação de tratamento de água, previne também o ataque biológico.

1.6.13 Termos usuais em água de resfriamento Faixa de tratamento É o quantum em °C ou °F de queda da temperatura da água da torre. É a diferença entre a temperatura da água na entrada e na saída da torre.

“Approach”

É a diferença entre a temperatura da água fria na saída da torre e a temperatura de bulbo úmido do ar junto à torre. Este valor é muito importante, porque representa teoricamente a menor temperatura que pode ser obtida na água resfriada.

1.6.14 Interferência dos organismos vivos nos sistemas de tratamento de água

Os organismos vivos que habitam a água interferem nos sistemas de água das seguintes maneiras: a) Formação de limo nos trocadores de calor, tubulações, paredes de tanques, bacia da torre e enchimento das torres. Estas colônias agem tanto como isoladores de troca térmica, provocam corrosão sob depósitos, formação de pilhas de aeração diferencial e absorção de sólidos suspensos para produzir os “biofouling”, que restringirão os fluxos de água nos sistemas;

b) Reduzindo a eficiência das torres de refrigeração pelas algas, cujo crescimento pode bloquear tubos distribuidores de água nos tipos de fluxo cruzado e impedir um boa circulação de ar, pela formação de cortinas nas chicanas laterais; c) Formação de limo bacteriano nos filtros de areia, impedindo uma boa filtração e reduzindo a eficiência da contra-lavagem; d) Interferência nas unidades de abrandamento ou desmineralização, por envolvimento das resinas pela massa gelatinosa do limo, tendo como conseqüência uma troca iônica prejudicada; e) Ataque à celulose da madeira pelos fungos, provocando um apodrecimento da estrutura e do enchimento das torres; f) Corroção do metal e concreto pelo crescimento de bactérias redutoras de sulfato, enxofre, ferro, nitrificantes e desnitrificantes, dando como resultado corrosão localizada, corrosão generalizada, tuberculação e deterioração do concreto.

1.6.15 Depósitos biológicos

A proliferação de algas, fungos, bactérias formadoras de limo e bactérias modificadoras do meio ambiente podem causar problemas de deposição nos trocadores, chegando em certos casos à obstrução. Além da diminuição na transferência de calor e no fluxo de água, eles podem propiciar a formação de pilhas de aeração diferencial, com intensa corrosão sob depósito. A matéria biológica atrai outros tipos de depósitos em virtude de sua natureza adesiva (pegajosa), tais como, silt, lama, produtos de corrosão e outros precipitados inorgânicos, como os de polifosfatos hidrolisados. O problema poderá ser agravado com o aparecimento de bactérias anaeróbicas, como as redutoras de sulfato, que geram H 2S e atacam os metais dando os sulfetos correspondetes onforme as reações seguintes: SO4= bactérias S= S= + 2 H2O → H2S + 2 OH H2S + Fe → FeS + H2 Águas ferruginosas, isto é, contendo elevadas concentrações de ferro divalente (Fe ++), poderão formar elevada tuberculação de ferro trivalente (Fe +++), pela ação das bactérias ferro-oxidantes.


Na água do mar, além dos problemas acima relacionados, há presença adicional de protozoários, mexilhões e serrípedes, que poderão formar depósitos extremamente duros e aderentes.

1.6.16 Deterioração da madeira das torres

A madeira é constituída essencialmente de celulose, lignina e extratos naturais, sendo a celulose a parte fibrosa que confere resistência, a lignina aglutinante que segue a estas fibras e os extratos naturais, substâncias orgânicas que impedem o apodrecimento prematuro da madeira. O enchimento e a estrutura de madeira das torres de refrigeração estão sujeitas a três tipos de ataque: químico, físico e biológico.

1.6.17 Ataque químico

O ataque químico à madeira é dirigido diretamente à lignina, sendo os agentes causadores do ataque as lixívias alcalinas e os agentes oxidantes fortes. A lignina solubiliza-se e resta à madeira a celulose, apresentando seu aspecto fibroso. O ataque poderá ser superficial ou profundo, conforme o tempo de exposição, os valores de pH utilizados e as concentrações dos agentes oxidantes.

1.6.18 Ataque físico

O ataque físico poderá ser decorrente de elevadas temperaturas ou de erosão por partículas em suspensão. As temperaturas altas são responsáveis pela remoção dos extratos naturais e facilitam o ataque biológico.

1.6.19 Ataque biológico

Como os hidratos de carbono constituem fonte de nutrição para os fungos, explica-se, então, o ataque biológico à madeira das torres de refrigeração. Os basidiomicetos e fungos imperfeitos são os microorganismo mais diretamente relacionados a este problema. A deterioração biológica pode acontecer tanto na parte externa como na interna da madeira. Neste último caso, o apodrecimento é mais difícil de ser tratado, justamente pelo fato de se dar internamente. Os fungos filamentosos da família dos Aspergillus, Penicillium, Mucor , Fusarium e Alternaria são responsáveis pela destruição superficial da madeira. As leveduras da família dos Torulas e Saccharomyces são respon- 33 sáveis pelo descoramento da madeira. Os basidiomicetos da família dos Porio e Lenzitos ocasionam o apodrecimento interno da madeira.


1.6.20 Biocidas

Os biocidas e biostáticos são compostos químicos tóxicos, utilizados em águas de refrigeração, com o propósito de eliminar os microorganismos indesejáveis, ou inibir o crescimento dos mesmo, de tal forma que não causem danos ao processo de troca térmica. Existem algumas considerações relacionadas com o uso de biocidas que devem ser observadas, tais como: – custo operacional baixo, nas concentrações efetivas; – conhecimento de suas características tóxicas; – não ser volátil; – ausência de inflamabilidade e caráter explosivo são desejáveis, a fim de propiciar um seguro manuseio; – possuir um largo espectro de ação: com a finalidade de atuar com eficiência sobre diferentes tipos de microorganismo, entretanto, inócuo ao homem e outros animais; – alto grau de degradabilidade é desejável e necessário, para evitar problemas com os efluentes. Os biocidas utilizados em refrigeração são dois tipos básicos, os oxidantes e os não-oxidantes. Os oxidantes mais utilizados são o cloro gasoso, os hipocloritos de sódio e cálcio, e o dióxido de cloro. Os tipos não-oxidantes são agentes de superfície ativa como os sais quaternários de amônia e sais de fenol clorado, os organosulfurosos, como o metileno bis-tiocianato e o dimetil ditio-carbonato, além dos compostos organoestanosos.

1.6.21 Cloro

O cloro e seus compostos são biocidas do tipo oxidante, sendo os mais utilizados no controle do crescimento microbiológico da água. Se a taxa de aplicação de cloro é aumentada até tornar-se suficiente para a oxidação das cloroaminas, haverá um repentino decréscimo no cloro residual livre, até um ponto onde ele voltará a crescer. Este ponto é chamado de “break-point”.

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1.6.22 Eficiência da cloração

A temperatura, o valor do pH e a matéria orgânica exercem grande influência na eficiência bactericida das soluções de cloro ou hipoclorito. Como a ação esterilizante do cloro deve-se, principalmente, ao ácido hipocloroso,

o valor de pH indicado para a cloração deverá ser situado entre 6 e 7, cujas concentrações de ácido hipocloroso são elevadas e o valor de pH não interfere em diferentes tipos de tratamento. A velocidade de esterilização aumenta com a temperatura, entretanto, como o cloro tem sua volatilização elevada nestes casos, seu consumo será extremamente alto e antieconômico. Doses de 3 a 5 ppm, normalmente, são suficientes para destruir a matéria orgânica nos sistemas e manter um residual de cloro livre de 1 ppm, necessário para eliminar algas bactérias e fungos. A aplicação do cloro deverá ser feita durante a madrugada ou ao anoitecer, com o propósito de evitar que a ação da luz consuma cloro além do necessário. Dosagens de até 30 minutos deverão ser feitas em um período e, em casos críticos, em dois períodos, mantendo-se, no retorno de água para a torre, um residual de cloro livre de 1 ppm, pelo tempo de uma (1) hora.

1.6.23 Controle do tratamento microbiológico

Com a finalidade de se obter resultados satisfatórios no controle do crescimento das águas de refrigeração, uma série de medidas deverão ser tomadas, tais como: – escolha dos biocidas mais eficazes para a água utilizada, fazendo em laboratório, teste de sensibilidade; – dosagem de dois biocidas de mecanismo de atividade diferente, com a finalidade de evitar a criação de microorganismo resistentes; – dosar concentrações corretas e tempo certo, observando-se o tempo e desconcentração do biocida; – controlar o crescimento de microorganismo, por um dos seguintes processos. – Detectar a presença de material limoso nas superfícies de enchimento da torre e nas paredes de suas bacias. Uma superfície áspera indica ausência ou pouco desenvolvimento microbiano, e uma superfície limosa (ou suja) indica presença de microorganismos em concentrações elevadas. – Inocular em placas de Petri, a água corretamente coletada na bacia da torre, a fim de se efetuar a contagem de aeróbios totais por mL, desenvolvidos na placa, após incubada por 48 horas, à temperatura de 37°C. – Dosar um agente dispersante de qualidade comprovada, durante a cloração, com a finalidade de aumentar sua eficiência.


No UnicenP, a preocupação com a construção e reconstrução do conhecimento está em todas as ações que são desenvolvidas pelos próreitores, diretores de Núcleos, coordenadores de Cursos e professores. Uma equipe coesa e unida, em busca de um só objetivo: a formação do cidadão e do profissional, que é capaz de atuar e modificar a sociedade por meio de suas atitudes. Preparar este cidadão e este profissional é uma responsabilidade que esta equipe assume em suas atividades no Centro Universitário Positivo, que envolvem, principalmente, as atividades em sala de aula e laboratórios, bem como a utilização contínua dos recursos disponibilizados pela Instituição em seu câmpus universitário. Esta equipe trabalha em três núcleos básicos da área de graduação Núcleo de Ciências Humanas e Sociais Aplicadas, Núcleo de Ciências Biológicas e da Saúde, Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas além das áreas de pósgraduação e de extensão. O UnicenP oferece em seus blocos pedagógicos 111 laboratórios, clínicas de fisioterapia, nutrição, odontologia e psicologia, farmácia-escola, biotério, central de estagio, centro esportivo e salas de aula, nos quais é encontrada uma infra-estrutura tecnológica moderna que propicia a integração com as mais avançadas técnicas utilizadas em cada área do conhecimento.

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Apostila Sistema de Aguas_Petrobras

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