Universidade do Estado do Rio de Janeiro Campus Regional de Resende

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1 Universidade do Estado do io de Janeiro ampus egional de esende Tratamentos ísio-químios de Águas Prof. esar Pereira MÓULO I 1. ALEIAS No estudo dos tratamento de águas para aldeiras, onentraremos nossa maior atenção nos sistemas geradores de vapor om pressão operaional inferior a 42 kgf/m 2 (aproximadamente 600 libras-força por polegada quadrada (psi) ou 4200 quilopasals (kpa)), aja vista que mais de 90% das aldeiras, atualmente empregadas, enontram-se enquadradas nesse aso. 1.1 aldeiras Geradoras de Água Quente Nas aldeiras geradoras de água quente ( ydroni boilers ), os tratamentos adotados são semelantes aos reomendados para os iruitos feados de refrigeração, sendo mais empregados os seguintes: Tratamento Alalino-ispersante Utilizando fosfonatos e agentes dispersantes e operando na faixa de ph 9,5 10,0. Tratamento à base de romato Utilizando elevados teores de romato (superiores a 800 ppm ro 4 ), em ph situado na faixa 8,0 9,0. Tratamento à base de Nitrito-Borato Utilizando onentração de nitrito elevada (era de 750 ppm NO 2 ), em presença de produtos tamponante (borato) e dispersante, em ph na faixa 8,5 10, aldeiras Geradoras de apor por ombustão Os sistemas geradores (aldeiras) de vapor podem ser lassifiados em três grupos, de aordo om a pressão de trabalo, segundo a Amerian Boiler Manufaturers and Affiliated Industries Assoiation (ABMA): LASSIIAÇÃO AIXA E PESSÃO (psi) AIXA E PESSÃO (kgf/m 2 ) Baixa Pressão Média Pressão Alta Pressão (*) > 800 > 56 (*) As aldeiras que operam om pressões superiores a 3200 psi (225 kgf/m 2 ) são ALEIAS E PESSÃO SUPEÍTIA om a transformação H2O( ) H2O( g) oorrendo em temperatura superior à temperatura rítia da água (374 o ). a. aldeiras ogotubulares ou lamatubulares (f.t.) São aquelas em que os gases de ombustão irulam no interior dos tubos, om a água sendo aqueida e vaporizada, nas regiões externas dos tubos (aso). As aldeiras f.t. são equipamentos que operam om baixas pressões (p < 300 psi), taxas de vaporização limitadas, gerando pequenas produções de vapor ( < 25 t/). Os modernos geradores de vapor f.t. possuem a fornala loalizada internamente. O iníio da ombustão oorre no interior de uma fornala aoplada ao aso. Os gases de ombustão saem pela parte posterior da aldeira, retornam realizando duas ou mais passagens pelos tubos e finalmente são eliminados pelo sistema de exaustão. Os amados geradores f.t. ompatos são aqueles totalmente fabriados e testados antes de serem forneidos ao liente que reeberá a aldeira ompleta, pronta para ser instalada. 1

2 Universidade do Estado do io de Janeiro ampus egional de esende Tratamentos ísio-químios de Águas Prof. esar Pereira A figura a seguir mostra uma vista frontal esquemátia de uma aldeira fogotubular ou flamatubular (f.t.) vapor saturado nível da água tubos de ombustão seundários (geralmente 4 passes de tubos) tubo de ombustão prinipal lama desarga tubo de entrada da água de alimentação b. aldeiras Aquatubulares (a.t.) São aquelas em que a água irula no interior dos tubos, onetando os tubulões ou tambores superior e inferior(es), om os gases queimados (provenientes da ombustão na fornala) irulando pela parte exterior dos tubos. Este tipo de aldeira pode englobar quase todas as faixas de pressão, podendo gerar grandes produções de vapor. As aldeiras a.t. podem apresentar diferentes onfigurações ( O,, A et.) de aordo om o aspeto do posiionamento dos tubulões em relação ao feixe de tubos. As aldeiras do tipo O e apresentam 1 tubulão superior (tambor de vapor) e 1 tubulão inferior (tambor de lama). As aldeiras do tipo A operam om 1 tubulão superior e 2 tubulões inferiores. As desargas para eliminação de lama são exeutadas nos tambores inferiores. As oletas de amostra de água de aldeira deverão ser efetuadas por meio de purga de nível (exeutadas nos tubulões superiores) seguida de resfriamento, onduzindo a resultados analítios mais representativos. Tanto nas aldeiras flamatubulares (f.t.), quanto nas aquatubulares (a.t.) a água om temperatura mais baixa (mais densa) forma uma orrente desendente, enquanto a água líquida om bolas de vapor em temperatura mais alta (menos densa) forma uma orrente asendente. Nas aldeiras aquatubulares, a alimentação de água é feita no balão (tambor) superior. Esta água, a temperatura mais baixa, flui através dos tubos de fluxo desendente ( down omers ), para o balão (tambor) inferior. A água líquida, em temperatura mais alta, juntamente om bolas de vapor, produzida pelo alor gerado na fornala, flui do balão inferior para o balão superior, através de tubos de fluxo asendente ( risers ). As figuras a seguir mostram esquemas de geração de vapor em uma aldeira a.t. e vistas frontais simplifiadas de geradores de vapor do tipo O, e A. 2

3 Universidade do Estado do io de Janeiro ampus egional de esende Tratamentos ísio-químios de Águas Prof. esar Pereira água de alimentação vapor desarga de nível tubulão, tambor ou balão superior alor tubulão, tambor ou balão inferior ou de lama desarga de fundo Geradores de apor (aldeiras a.t.) Tipo O Tipo Tipo A 1.3. aldeiras Elétrias As aldeiras elétrias produzem aqueimento e ebulição da água líquida om base no efeito Joule, podendo atuar om diferentes níveis de diferença de potenial elétrio. oram muito utilizadas nas déadas de 70 e 80, em deorrênia do aumento de preço do petróleo e seus derivados. Atualmente, o usto relativamente elevado da energia elétria tem desestimulado a utilização de aldeiras elétrias. As aldeiras elétrias podem ser lassifiadas em ALEIAS E ESISTÊNIA ELÉTIA e ALEIAS E ELETOOS, podendo estas últimas serem divididas em ALEIAS E ELETOOS BOIAOS (jato ou spray de água) e ALEIAS E ELETOOS SUBMESOS. As aldeiras elétrias de eletrodos submersos exigem água de alimentação de alta pureza, geralmente desmineralizada. e um modo geral, as aldeiras elétrias trabalam om pressões operaionais não muito elevadas (p < 400 psi) e produções de vapor não muito altas ( < 25 t/). Entre algumas vantagens do emprego de aldeiras elétrias podem ser itadas: a não geração de gases poluentes (omuns nos proessos de ombustão) e o menor investimento iniial. 3

4 Universidade do Estado do io de Janeiro ampus egional de esende Tratamentos ísio-químios de Águas Prof. esar Pereira 2. EQUIPAMENTOS AUXILIAES As aldeiras, sobretudo as aquatubulares, podem operar empregando diversos equipamentos auxiliares. Apresentaremos a seguir, de forma suinta, alguns desses equipamentos Abrandadores e esmineralizadores Os abrandadores são equipamentos destinados à remoção de dureza da água de reposição. Os desmineralizadores objetivam remover a salinidade da água de reposição. O abrandamento e a desmineralização de água foram abordados no MÓULO I deste trabalo. Os abrandadores e desmineralizadores são partes integrantes das seções de pré-aldeira esaeradores Equipamentos loalizados na seção pré-aldeira ujos propósitos primordiais são: aumentar a temperatura da água de alimentação, por meio do ontato direto om vapor de baixa pressão; remoção de gases, prinipalmente o oxigênio (O 2 ) e o dióxido de arbono (O 2 ), presentes na água de alimentação, pelo fato dos gases serem menos solúveis em temperaturas mais elevadas. Os dois tipos de desaeradores mais utilizados são os de bandejas e os de aspersão ( spray ), avendo sempre um tanque de estoagem de água desaerada, onde produtos químios, omo os removedores ou sequestrantes de oxigênio ( oxygen savengers ), podem ser adiionados. A eliminação de O 2 pode fazer om que sua onentração na água seja reduzida a valores próximos a 7 ppb (7 partes por bilão ou 7 mg de O 2 / m 3 de água) Pré-aqueedores de Ar Os pré-aqueedores de ar são dispositivos que onsistem em uma série de plaas ou feixes de tubos, onde oorre uma troa térmia entre o ar e os gases de exaustão. Pode-se onseguir um aumento de efiiênia de 2% na produção de vapor, para um aumento de 55 o na temperatura do ar de ombustão Eonomizadores ispositivo, onstituído por um feixe de tubos, por onde irula a água de alimentação, que é pré-aqueida pelos gases provenientes da ombustão que seriam diretamente eliminados pela aminé. O aumento da temperatura da água de alimentação reduzirá a quantidade de alor requerida no interior da aldeira, aumentando a efiiênia da mesma. e modo geral, obtém-se 1% de aumento na efiiênia da aldeira, para ada 6 o de elevação de temperatura da água de alimentação. Muitas plantas modernas, onseguem aumento de até 8% na efiiênia da aldeira, om o emprego de eonomizadores Polidores de apor ou Separadores de Arraste São dispositivos destinados à eliminação de gotíulas do vapor produzido, om objetivo de evitar o fenômeno do arreamento ( arryover ) que pode provoar o transporte de sólidos para as seções de pós-aldeira. Estes eliminadores onsistem em ilones e/ou dispositivos aletados onetados ao tubulão superior (tambor de vapor). A água líquida removida é retornada ao tubulão superior. 4

5 Universidade do Estado do io de Janeiro ampus egional de esende Tratamentos ísio-químios de Águas Prof. esar Pereira 2.6. Superaqueedores onsistem em feixes de tubos, inseridos na fornala da aldeira, destinados à obtenção de vapor superaqueido a partir de vapor saturado. O vapor superaqueido pode ser transferido a longas distânias sem perda apreiável de sua arga térmia (onteúdo energétio). 3. BALANÇOS MATEIAIS EM SISTEMAS GEAOES E APO onsideremos o seguinte esquema: ALEIA P Onde: vazão de água de alimentação ( feed water ) vazão de vapor produzido vazão de desargas ( blow down ), inluindo as desargas de nível ( n ) e de fundo ( f ), isto é: = n + f vazão de retorno de ondensado vazão de água de reposição ( make up water ) P vazão de perdas As taxas de retorno de ondensado podem ser expressas pelas relações: / ou /, sendo a primeira delas (/) a mais omumente utilizada. Essas relações são denominadas taxas de retorno de ondensado em relação ao vapor produzido (/) e taxa de retorno em relação à água de alimentação (/). Assim, temos: = + (1) omo: = + (2), teremos, ainda: + = + (3) 5

6 Universidade do Estado do io de Janeiro ampus egional de esende Tratamentos ísio-químios de Águas Prof. esar Pereira 3.1. esarga () em função do ilo de onentração om base na Alimentação (x ) onsiderando uma espéie solúvel em água e não-volátil, omo o íon loreto ( de massa para esse íon, om base na equação (1), fia: = + (4) ), o balanço onde se, e são, respetivamente, as onentrações de loreto na água de alimentação, no vapor produzido e na desarga (ou na água de aldeira). omo a espéie ( Logo, teremos: = 0 = + = (6) A relação ) é não-volátil, teoriamente a onentração será nula. = (5) representa o nível de onentração da água de desarga ou da aldeira em relação ao nível de onentração da água de alimentação, sendo denominada ilo de onentração em relação à água de alimentação (x ). Assim, temos: x + = x = + (x 1) = x 1 Exemplo resolvido n.º 1 = (7) Uma aldeira aquatubular, om produção de vapor igual a 63,0 toneladas/ora, opera om taxa de retorno de ondensado igual a 75,0% em relação à água de alimentação. As vazões de desargas de fundo e de nível são, respetivamente, iguais a 0,10 toneladas/ora e 0,90 toneladas/ora, sendo a onentração de loreto na água de alimentação igual a 3,75 ppm. alule: a) o ilo de onentração em relação à água de alimentação (x ); b) a onentração de loreto na água de aldeira ( ); ) a vazão de água de reposição ( make up ), em toneladas por ora. esolução (a) (b) () = n + = 0,90 + 0,10 = f 1,00 t / = + = 63,0 + 1,0 = 64,0 t / Logo, teremos: 64,0 t / x = x = x = 64,0 1,00 t / x = = x = 3,75 64, 0 = = 0,750 ALEIA = = 240 ppm = 0,750 64,0 = 48,0 t / = + = = 64,0 48,0 = 16,0 t / 6

7 Universidade do Estado do io de Janeiro ampus egional de esende Tratamentos ísio-químios de Águas Prof. esar Pereira 3.2. esarga () em função do ilo de onentração om base na eposição Um balanço de massa para uma espéie solúvel e não-volátil onduz à seguinte equação: + = + (8) onde,, e são, respetivamente, as onentrações das espéies onsideradas na água de reposição, no ondensado, no vapor produzido e na desarga (ou na água de aldeira). Sendo a espéie não-volátil e desprezando-se o arraste de gotíulas, ontendo a espéie solúvel onsiderada, temos: = 0 e = 0 = A relação = (9) representa o nível de onentração de água de desarga ou da aldeira em relação ao nível de onentração da água de reposição, sendo denominada ilo de onentração em relação à água de reposição (x ). Assim, temos: x = (10) A expressão (3) poderá então ser resrita da seguinte forma: + = + x + = + ( ) 1 ( ) x 1 = 1 Exemplo resolvido n.º 2 ( x 1) = ( x 1) = = x (11) 1 Uma aldeira, om produção de vapor de 10,0 t/, possui taxa de retorno de ondensado igual a 80,0% (em relação à produção de vapor) e deve operar om ilo de onentração igual a 11,0 (em relação à água de reposição). etermine: a) a vazão de desarga, em toneladas por ora; b) a vazão, em gramas por ora, de um produto dispersante (não-volátil), sabendo que sua onentração desejável na água de aldeira é 60,0 ppm (g/t); ) o ilo de onentração em relação à água de alimentação (x ). esolução (a) (b) () 1 = x ( ) 1 1 0,800 = 10,0 t = 0,200 t 11,0 1 g Pr oduto t d = d = 60,0 0,200 d = 12,0 g Pr oduto t = + = 10,0 + 0,2 = 10,2 t 10,2 t x = x = x = 51,0 0,200 t 7

8 Universidade do Estado do io de Janeiro ampus egional de esende Tratamentos ísio-químios de Águas Prof. esar Pereira Exemplo resolvido n.º 3 Uma aldeira flamatubular, om produção de vapor igual a 3160 kg/, é dotada de um únio dispositivo para desarga de lama e sólidos dissolvidos, tendo sido fixado no programador eletro-pneumátio um tempo de duração de desarga igual a 2,0 segundos, podendo o intervalo entre duas desargas variar entre 15 e 240 minutos. om base na qualidade da água industrial forneida, deseja-se que a aldeira opere om ilo de onentração igual a 80,0 em relação à água de alimentação (reposição + ondensado). etermine o intervalo, em minutos, entre duas desargas onseutivas, a ser fixado no programador, sabendo que a vazão de desarga da válvula é de 12,0 kg/s. esolução = x 1 kg = q kg t s 3160 kg = 80,0 1 s des n des kg kg s 40,0 = 12,0 2,0 n n = s des = 40,0 kg 5 3 des Intervalo, em minutos, entre duas desargas onseutivas: 5 3 des 1 des 60 min 3 x = 60 min x = 36 min utos 5 x 8