Gv 10 tratamento de água

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Gv 10 tratamento de água

  1. 1. Tratamento de Água para CaldeirasObjetivos• Prevenção de incrustações (inibidores de incrustações)• Prevenção de corrosão (inibidores de corrosão)• Prevenção de contaminação
  2. 2. Águas industriais• Recebem a denominação de águas industriaisaquelas utilizadas em plantas industriais para:– Geração de vapor/energia– Refrigeração/resfriamento– Lavagens e outros usos diversos
  3. 3. A produção industrial de vapor é dominantementeconstituída por um sistema fechado de 4 etapas.Quando a água vaporiza na caldeira a expansão do vaporpressuriza o sistema.O vapor sai da caldeira à custa da sua própria pressão e étransportado para os diferentes pontos/etapas do processo, e aspropriedades do vapor vão-se alterando.
  4. 4. 1. GERAÇÃOO calor produzido na combustão aquece a água da caldeira2. DISTRIBUIÇÃOTransporte do vapor aos pontos de utilização3. TRANSFERÊNCIA DE CALORO uso qualquer que seja, é uma transferência de calor. À medidaque transfere energia produz-se água condensada – Retençãode Condensados.4. RETORNO/RECIRCULAÇÃO DE CONDENSADOSPermite a reutilização parcial da energia térmica4 etapas
  5. 5. 2,068 kPa170 ºC347 kPa148 ºCCiclo da Água
  6. 6. Tratamentos parageração de vapor• Remoção de contaminantes de origemorgânica• Remoção de contaminantes de origeminorgânica (sais de Ca2+, Mg2+, sílica esilicatos)• Remoção de oxigênio
  7. 7. Tratamentos preliminaresda ÁguaSão procedimentos visando retirar impurezas eevitar as consequências de sua presença.O tratamento preliminar atua primeiramente sobreas impurezas mais grosseiras, tais comoturbidez, sólidos em suspensão e materialorgânico.Posteriormente, são feitos tratamentos maissofisticados para eliminação do materialdissolvido.
  8. 8. Ciclo da ÁguaCaptaçãoETA floculação decantaçãoÁgua IndustrialTanquede ÁguaIndustrialUsos diversos comoumidificação de estoquesClora-çãoTanquede ÁguaProcessoConsumo na usinaETE lodoativadoespessadorEstaçãoDesmiGeraçãode vaporUso devaporcondensaçãoEstação reusoTanque decondensadoETEcompactaDecloração
  9. 9. Impurezas encontradas na águaGeralmente, nas águas superficiais e subterrâneas que são usadas nosprocessos industriais, encontramos as seguintes substânciasdissolvidas:• Dureza, representada basicamente pelos íons cálcio e magnésio(Ca2+ e Mg2+), principalmente os sulfatos (SO42-), carbonatos (CO32-)e bicarbonatos (HCO3-).• Sílica solúvel (SiO2) e silicatos (SiO32-) associados a vários cátions.• Óxidos metálicos (principalmente de ferro), originados de processoscorrosivos.• Diversas outras substâncias inorgânicas dissolvidas.• Material orgânico, óleos, graxas, açúcares, material de processo,contaminantes de condensados, etc.• Gases, como oxigênio, gás carbônico, amônia, óxidos de nitrogênio eenxofre.• Materiais em suspensão, como areia, argila, lodo, etc.
  10. 10. Clarificação/FiltragemOperação realizada em uma Estação de Tratamento deÁgua (ETA), responsável pela eliminação de materialsuspenso na água.– processo de coagulação / floculação das impurezas com aadição de um ou mais produtos tais como sulfato de alumínio,cloreto férrico, polímeros de acrilamida e policloretos dealumínio - PACs (também chamados de polieletrólitos) e taninosmodificados.– O produto aglutina as impurezas da água por interaçõeseletrostáticas e adsorção física e promove a formação de flocosque se sedimentam e são eliminados.– A água clarificada é então submetida a filtração, normalmenteem leito de areia, por meio dos filtros que operam por gravidadeou pressão.Ao término deste processo a água pode ser submetida atratamentos complementares como a desinfecção porcloração.
  11. 11. Clarificação/filtração• Este método é bastante utilizado paracombater incrustações de origemorgânica, tais como contaminações daágua por materiais de processo (óleos,hidrocarbonetos, etc.), microrganismos eprodutos originados de seu metabolismo(proteínas, lipídeos, polissacarídeos),lodos de maneira geral, materialparticulado etc.
  12. 12. Etapas de Clarificaçãoda ÁguaRepresentação das etapas de clarificação da água
  13. 13. Processos de Troca IônicaTratamento complementar que visa a remoção dos íonsdissolvidos na água (cálcio, magnésio, sílica, etc). Fazuso das resinas de troca iônica que são pequenasesferas porosas de material plástico em cuja superfícieestão ligados os íons que serão usados na troca.Existem dois tipos básicos de resina: as catiônicas, quetrocam íons positivos (tais como Ca2+, Mg2+, Na2+, H+,Ba2+) e as aniônicas, que trocam íons negativos (Cl-,OH-, SiO32-).O processo consiste em fazer a água a ser tratadapassar por um ou mais leitos dessas resinas, asquais retém os íons de interesse. Chegará ummomento em que o leito estará saturado e deverá serregenerado adequadamente.
  14. 14. Abrandamento e desmineralizaçãoAbrandamento• Consiste na remoção de Ca2+ e Mg2+ da água. Faz uso de resinas quetrocam íons sódio (Na+) ou hidrogênio (H+). Após saturação do leito, aregeneração é feita com NaCl ou HCl (as vezes H2SO4).Desmineralização• Processo completo, removendo íons positivos e negativos da águadeixando-a praticamente isenta de materiais dissolvidos. Consiste emfazer a água passar por um abrandador operando com resina de ciclo H+e, após, passar por um leito de resina aniônica, que troca íons OH-. Esteprocedimento remove sílica e silicatos solúveis, além de carbonatos,sulfatos e cloretos. Após saturação do leito, normalmente é feitaregeneração com soda cáustica (NaOH).
  15. 15. ABRANDADORES
  16. 16. Processo de abrandamento•Remoção de cálcio e magnésio da água•Uso de resinas de ciclo sódio ou hidrogênio•Regeneração com cloreto de sódio ou ácido clorídricoProcesso de abrandamento por troca iônica (ciclo hidrogênio).
  17. 17. DesmineralizaçãoTrata-se de um processo completo, removendo os íonspositivos e negativos da água e deixando-apraticamente isenta de materiais dissolvidos. Consisteem fazer a água passar por um abrandador operandocom resina de ciclo hidrogênio e, após, passar por umleito de resina aniônica, que troca íons hidroxila (OH-).Este procedimento é capaz de remover a sílica e silicatossolúveis, além de carbonatos, sulfatos e até cloretos.Após saturação do leito, normalmente é feitaregeneração com soda cáustica (NaOH).
  18. 18. DesmineralizaçãoPrincípio de funcionamento de uma resina aniônica.
  19. 19. Desmineralizador
  20. 20. Osmose reversaConsiste em fazer a água previamente filtrada passar pordispositivo normalmente cilíndrico denominado“permeador”, onde os sais presentes na água sãoretidos por membranas seletivas especialmentefabricadas.A água pura é eliminada radialmente pelo permeador,enquanto que a parcela de água não permeada édescartada a uma concentração mais elevada de sais.Este fato constitui uma das desvantagens do sistema, alémdo alto custo e da necessidade de se operar com váriospermeadores em paralelo para obtenção de uma vazãorazoável.
  21. 21. Esquema de osmose reversa• Emprego de membranas desenvolvidas para esse fim• Usadas em processos de dessalinizaçãoEsquema de funcionamento de um sistema de tratamento de água porosmose reversa.
  22. 22. Esquema de osmose reversa• Emprego de membranas desenvolvidas para esse fim• Usadas em processos de dessalinização
  23. 23. Outros processos deabrandamentoA água também pode ser abrandada,embora não totalmente, por processosquímicos como tratamento com calCa(OH)2 e barrilha (Na2CO3) (tambémchamado “cal sodada”) ou fosfatos.Estes processos são usados quando adureza da água é excessivamenteelevada e não se encontra nenhuma outrafonte de água de melhor qualidade.
  24. 24. DESTILAÇÃOConsiste em vaporizar a água e condensá-la emseguida para produção de água pura. Devido aoalto custo operacional, este processo somente éempregado em locais com elevadadisponibilidade de energia (combustível baratoou abundante) e em instalações marítimas, parautilização da água do mar.
  25. 25. DesaeraçãoUm tratamento complementar que também deveser executado é a remoção de oxigênio e outrosgases dissolvidos na água, por meio de umadesaeração para evitar a corrosão da tubulaçãometálica dos equipamentos por onde a águacircular.
  26. 26. CorrosãoA corrosão envolve reações de óxido-redução. É um processo eletroquímico noqual o ânodo (onde ocorre oxidação –perda de elétrons), que é consumido, estáseparado por uma certa distância docátodo, onde ocorre redução (ganho deelétrons).
  27. 27. CorrosãoO mecanismo básico para o processo de corrosão é:1. Na região anódica, átomos de ferro (Fe0) passam para o estado deoxidação II, formando Fe 2+.2. Devido a formação do Fe2+ , dois elétrons migram pelo metal para aárea catódica.3. Se houver oxigênio presente na água, o mesmo move-se para aárea catódica e ingressa no circuito, usando os elétrons quemigraram para o cátodo e formando íons(OH-) na superfície do metal.4. Os íons OH- deslocam-se para a região anódica, onde reagem comos íons Fe2+ formando hidróxido ferroso, Fe(OH)2, que se depositaao redor da área anódica. Esta etapa completa o ciclo básico doprocesso.5. O Fe(OH)2 formado é instável e, na presença de oxigênio e/ ou íonsOH-, forma-se hidróxido férrico Fe(OH)3.6. O Fe(OH)3 tende a se decompor em Fe2O3, que é o óxido férrico,conhecido como ferrugem.
  28. 28. CorrosãoQuimicamente, as reações envolvidas são:Fe0 Fe 2+ + 2e- (ânodo)½O2 + H2O + 2e- 2(OH)-(cátodo)Fe2+ + 2(OH)- Fe(OH)22Fe(OH)2 + ½O2 + H2O 2Fe(OH)32Fe(OH)3 Fe2O3 . 3H2O
  29. 29. Corrosão• Representação de uma célula de corrosão clássica.
  30. 30. Remoção do oxigênio da águaUm dos meios mais simples e eficientes dese combater a corrosão elementar nastubulações metálicas é pela remoção dooxigênio dissolvido na água.Não havendo oxigênio, não há receptor paraos elétrons provenientes do ferro e, assim,o ciclo não se completa. A remoção dooxigênio é feita de dois modos:mecanicamente e quimicamente.
  31. 31. Desaeração mecânicaConsiste em fazer a água passar por umequipamento chamado “desaerador” oqual, trabalhando em temperatura elevadapromove uma grande área de contatopara expulsão do ar dissolvido. Existemdois tipos básicos desse equipamento: otipo spray e o tipo que contém bandejas.Alguns desaeradores, principalmente paracaldeiras de alta pressão, podem trabalhara vácuo, o que ajuda na remoção dooxigênio.
  32. 32. Desaeração
  33. 33. Desaeração química: sequestrantes deoxigênioNa maioria das vezes o desaerador não consegue eliminar totalmenteo oxigênio dissolvido na água.Após o elemento desaerador, deve-se fazer a adição de um compostoquímico capaz de remover o oxigênio ainda presente na água.Utilizam-se normalmente as seguintes substâncias:• Sulfito de Sódio• Hidrazina• (Dietilhidroxilamina), amina com características redutoras• Ácido Iso-ascórbico• Alguns sacarídeos (tais como glicose): usados em aplicaçõesespecíficas• Hidroquinona• Taninos• Aminoguanidinas• Hidrazidas e polímeros contendo este grupo funcional• (-CONHNH2)
  34. 34. Recuperação de Condensado
  35. 35. 1 - MECÂNICOS – accionados por diferencial de massas volúmicas entre o vapore a água: Uma bóia (4) determina a proporção adequada líquido vapor (1). Amistura é admitida por (3) e por acção do sistema mecânico da bóia (2) éaccionado a descarga do condensado pelo dreno (5);2 - TERMOSTÁTICOS accionados por diferenciais de pressão/temperatura.3 - TERMODINÂMICOS accionados por diferenças de pressão volume.SEPARADORES (ARMADILHAS) DE CONDENSADOS
  36. 36. PURGA DE CALDEIRAS = “BLOW-DOWN”A purga de caldeiras é um passo importante dotratamento de águas de caldeiras e tem como objectivoreduzir as impurezas da água que é utilizada nacaldeira, quando existe recirculação.Excesso de purga >>> desperdício de energia;Deficit de purgas >>> promove incrustações.Não existem regras fixas, mas as taxas variam entre 1%e 25% da água de abastecimento da caldeira.
  37. 37. RECUPERAÇÃO DE CALOR DA PURGA DE CALDEIRAA imagem acima mostra o Vapor Flash recuperado para o sistema de distribuiçãode vapor e as de descarga de condensado quente flui para um trocador de calor parapré-aquecer água de entrada para cima.
  38. 38. Neste sistema só a componente de vapor do blowdown é utilizada para pré-aquecimento a água de reposição da caldeira; o condensado é descartado,eventualmente depois de refrigerado com água fria para poder cumprir oslimites de temperatura de descargaRECUPERAÇÃO DE CALOR DA PURGA DE CALDEIRA
  39. 39. RECUPERAÇÃO DE CALOR DA PURGA DE CALDEIRAO “flash steam” and “hot blowdown condensate” são utilizados para pré-aquecera água ge make-up, pelo uso de um trocador de calor; necessitando que hajacoincidência entre a entrada da água de make-up e a descarga da caldeira.
  40. 40. RECUPERAÇÃO DE CALOR DA PURGA DE CALDEIRANeste caso é adicionado um depósito de água fria que recirculano trocador de calortornando desnecessário o sincronismo entre o blowdown e o make-up.
  41. 41. Estimating SavingsA poupança de energia resultante da recuperação de calor de descargas (purgas) de caldeiradepende da capacidade da caldeira (kg de vapor por hora), pressão, método e frequência dasdescargas e do custo do combustível. Descargas contínuas são via de regra 5 – 10% decapacidade.The blowdown BTU value varies with boiler steam pressure; the higher the boiler pressure the higheramount of higher value flash steam. Assume 25% flashes to steam and remainder is hot condensatefor boilers under 300 psi.The General Formulas:Average Boiler Capacity in pounds per hour of steam x 5% = Blowdown volume(Blowdown volume x 25% x 1,200 BTUs per Pound) + (Blowdown volume x 75% x 140 BTUs perPound) = Total BTUs por hora no blowdown{[Total BTUs por hora no blowdown] x 90% Efficiency / (1,000,000 BTUs x Boiler Efficiency) } =Millions of BTUs per Hour RecoveredMMBTUs x $ per MCF = Hourly SavingsEXEMPLO: 50,000 lbs per hour boiler at 200 psi steam with continuous blowdown50,000 lbs per hour x 5% = 2,500 lbs per hour blowdown(2,500 x 25% x 1,200 BTUs) + (2,500 x 75% x 140 BTUs) = 1,012,500 BTUs per hour in Blowdown(1,012,500 x 90% Efficiency) / (1,000,000 x 85%) = 1.07 MMBTUs per hour1.07 x $7.00 per MCF = $7.50 per hour = $180 per day = $5,400 per monthNOTE: In some applications the amount of flash steam produced by the blowdown recovery canexceed the amount of steam needed by the deaerator. This can lead to excessive steam venting fromthe deaerator and reduce the overall saving potential of the recovery system.
  42. 42. NOTAComo se verá muitas aplicações do vapor recuperadono flash, pelas purgas de caldeira, excedem aquantidade de vapor necessária ao sistemadesaerador.Se isto acontecer haverá excesso de vapor que deveser libertado, ao nível do desaerador, reduzindo aeconomia de energia.
  43. 43. Boiler turndown is a ratio of capacity (massa de vaporproduzida na unidade de tempo) at full fire to its lowestfiring point before shut-down.Old boilers may have only two firing positions, low andhigh.If a 1 million BTU boiler can fire as low as 100,000BTUs, then it has a 10:1 turndown ratio.
  44. 44. CALDEIRAEntrada deenergiado combustível(100%)Perdas porconvecçãoRadiação (4%)Perdas da emissãoe gases na chaminé(18%)Perdas no “blowdown”=descargas/purgas da caldeira “ (3%)Saída de energiaEficiência térmica daCaldeira 75 a 77%
  45. 45. Cerca de 5% da alimentação (combustível) de uma caldeira pode serpoupado pela instalação de um economizador
  46. 46. Emission Source Effect Green House GasPotential Relativeto CO2CO2 (Carbondioxide)Complete combustion ofcarbon in fuelGlobal Warming 1CO (CarbonMonoxide)Incomplete combustion ofcarbon in fuelSmogSO2 (SulphurDioxide)Combustion of sulphur in fuel(Sulphur is NOT a componentof natural gas)Smog, Acid RainNOx (NitrousOxide)By-product of mostcombustion processesAcid RainN2O (NitrousOxide)By-product of somecombustion processesGlobal Warming 310VOCs (VolatileOrganicCompounds)Leakage and evaporation ofliquid fuelsSmogCH4 (Methane) Natural Gas Leaks Global Warming 21H2O (Water Vapor) Hydrogen in fuel mixing withoxygen in the combustionprocessLocalized FogParticulates (Dust,Soot, Fumes)Unburned carbon from fuel,including ash and dirtSmog,RespiratoryHazardTrace Elements Impurities in fuel Unknown andPotentialCarcinogensHalogenated andChlorinatedCompoundsCompounds in fuel orcombustion air containinghalogens (Chlorine, fluorine,bromine and iodine)Potentialcarcinogens,Global Warming
  47. 47. DesaeradorRemove gases não condensáveis da água dealimentação.Promove-se o aquecimento da água de “makeup”(reconstituição/reposição)Minimiza-se a solubilidade de gases nãocondensaáveis (ex. Oxigénio, CO2, ÑH3, etc.).Pré aquece-se a água que irá ser utilizada(injectada) na caldeira.Os desaeradores são instalados a cota elevada para criarem“carga” favorável ao funcionamento das bombas de água queabastecem a caldeira, contornando a possibilidade deocorrerem eventuais condições de cavitação.
  48. 48. LIMITAÇÕES – A água deve estar livre de impurezas que possamEntupir os aspersores ou colmatar os tabuleiros (depoósitos lododos).
  49. 49. TRATAMENTO DE ÁGUA DEABASTECIMENTO DE CALDEIRAS >>REMOÇÃOSais minerais (promovemincrustações)Gases (corrosão)Materiais particulados (abrasão)
  50. 50. Sais minerais que promovem incrustações:FERROCÁLCIOMAGNÉSIOSÍLICA
  51. 51. Quando se utilizam economizadores de energia deve utilizar-se umdesaerador.A corrosão por oxigénio (picadas) é a maior causa de falhas doeconomizador.O economizador deve ser protegido por um supressor de oxigénio – sulfitode sódio adicionado a 3-10 ppm na água de alimentação, associando auso de soda caustica até termos a água de alimentação com pH (8,0 – 9,0)Abaixo de 900 psi (~62 atmosferas) não é perigoso o uso de excessosulfito de sódio (até 200 ppm)1psi = 6894,8 Pa
  52. 52. ESQUEMA DE UM SISTEMA DE TRATAMENTO DE ÁGUAABASTECIMENTO DE CALDEIRAS
  53. 53. Tratamento externoTRATAMENTO EFECTUADO NOSISTEMA DE ABASTECIMENTODEÁGUAClarificação (remove sólidos, verylarge boiler systems)Filtração (remove sólidos)Amaciamento e Desmineralização(removes sais minerais)DealkalizationDesaeração and Heating (removesoxygen and other corrosive gases)Tratamento InternoAdição de correctivos químicos(controlo de pH, Remoção deOxigénio, outros)Purga (remove sólidos acumuladospor recirculação de água emebulição)
  54. 54. WATER CHEMICALSOXYGEN SCAVENGERSSulfites - typically for boilers up to 800 psi; sulfites react with oxygen to formsulfates that are removed from the boiler via blowdown. There are two formsof sulfite: Catalyzed - uses a catalyst to improve reaction time; Non-catalyzed - slower reaction time and must be used in hot waterHydrazine - typically for boilers over 800 psi. At pressure higher than 800psi, sulfite begins to break down into acidic gases of sulfur. Sulfite also createsadditional Total Dissolved Solids (TDS) which is a problem for high pressureapplications.Hydrazine removes O2 without producing acidic gases or TDS, but isconsidered a possible carcinogen.HYDROXIDESSodium Hydroxide - NaOH or Caustic Soda, or Soda Ash - used tomaintain boiler water pH in the 10.0 - 11.5 range.Hydroxide increase boiler alkalinity to prevent acidic corrosion. If heavy scale is present, caustic soda can accumulate to cause Caustic Attack.Calcium-Hydroxide - reacts with calcium and magnesium bicarbonates toform sludge that is removed via blowdown.
  55. 55. PhosphatesPhosphate treatment causes calcium and magnesium to precipitate intosludge where it can be removed via blowdown.Filming AminesFilming amines function by forming a protective barrier against both oxygenand carbon dioxide attack. These amines form films directly with thecondensate line metal and develop a barrier to prevent contact of thecorrosive condensate with the return piping. By design, film formers havebeen developed to function best at a pH of 5.5-7.5.In addition, these amines are highly surface-active and will slough looselyadherent iron oxide and other corrosion products back to receiving points orto the boiler. Care must be exercised with the feed of filming amines.Combination Amines.Over the past several years, combinations of filming and neutralizing amineshave been shown to be extremely effective, particularly in complex systems.While the combination amine is still functionally a filmer, the neutralizingamine portions provide for reduction in fouling potential and more uniformcoverage of the filmer.Filming amines and combination amines are generally fed to steam headers.Dosages are based on steam production.
  56. 56. POLÍMEROSPolymers are long, complex molecules that attach to impurities and preventthem from sticking to boiler metal to form scale. This creates TDS that areremoved via blowdown.QUELANTESChelants can prevent scale from forming and over time, remove existing scale.Chelants in contact with 02 is corrosive.It must therefore be used in an 02- free environment.Neutralizing AminesNeutralizing amines hydrolyze in water to generate the necessary hydroxideions required for neutralization of the carbon dioxide.The normal approach to treating systems with these amines is to feed sufficientquantity to neutralize the carbon dioxide and then provide small additionalamounts to buffer the pH to 8.5 or 9.0. At this pH, continued preservation ofthe magnetite film (boiler metal) is also achieved. It is also implied thatcorrosion will not exist at a pH>8.0-8.5.
  57. 57. For example: consider a 500 hp boiler with a gas input of 20 million BTUs perHour.20,000,000 BTUs x 5% = 1,000,000 BTUs (100% Load Factor)1,000,000 BTUs / (1,200 BTUs per Gallon of 200F water) = 833 Gallons perHour(1,000,000 BTUs / 80% efficiency) = ~1.2 MCF x $7.00 per MCF Natural Gas =$8.40 per Hour ValueSavings is reduced by 50% for a 50% Load Factor, etc.If there is a need for that much hot water, the savings potential of $8.40 perhour would be multiplied by the number of boiler run hours, or the number ofhours that the hot water can be used. In each application, be sure to considerthe boiler Load Factor, the efficiency that the hot water is otherwise producedat, the cost of natural gas, and the installation cost of the equipment.If the economizer would be used to heat boiler make-up water, it is necessaryto determine the volume and temperature at the inlet of the economizer. Thelower the amount of condensate return, the higher the volume of make-upwater and the higher savings potential.An economizer that recovers 5% of boiler input should easily have a 2 yearpayback in a year-round application.
  58. 58. FORNECIMENTO DE ARUm dos cuidados necessários aofuncionamento de uma caldeira, paraevitarmos problemas sérios de combustão éestabelecer o suprimento de ar adequado.1. AR DE COMBUSTÃO = (nº de HP*) x (8 CFM/HP) =nºHPx0.2265 m3/HP.2. AR DE VENTILAÇÃO = (nº de HP*) x 2 CFM/3. VOLUME TOTAL DE AR REQUERIDO =(nº de HP*) x 10 CFM/HP*HP refere-se to the total de potência de caldeiras instaladas.ALERNATIVA – 4 a 6 square inches/HP (0,00064516 m2/ HP)Ex. 75 Horsepower Boiler X 5 Square Inches1 HP= 735.4988 watts

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