Petrobrás - Torres de Resfriamento

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Máquinas Térmicas I
CARACTERÍSTICAS E TRATAMENTO DA ÁGUA PARA
TORRES DE RESFRIAMENTO
Autor
Allan Sven Sarev
Engenheiro
Compilação
Luiz Carlos Martinelli Jr.
Professor UNIJUÍ - Campus Panambi
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A impressão e utilização deste caderno foi possibilitada pela parceria entre a ARGAL
Química Ind. e Com. Ltda. e a UNIJUÍ, em seu Curso de Engenharia Mecânica.
A ARGAL1, fundada em 1960, é uma empresa que atua principalmente nos setores de
produtos químicos e serviços voltados para tratamento de águas industriais, vernizes gráficos e
especialidades químicas.
Possui sede própria instalada em São Caetano do Sul, SP, onde conta com prédio
administrativo, laboratórios, centro de pesquisas e unidades industriais e, em São Bernardo do
Campo, SP, possui ainda o CRT - Centro de Treinamento e Recreação.
O Curso de Engenharia Mecânica da UNIJUÍ2, criado em 1992, dentro de uma filosofia
de trabalho, procura fornecer aos seus acadêmicos informações tecnológicas dentro de um
contexto atual, moderno.
Situado em Panambi, RS, o Curso procura uma integração entre Teoria e Prática,
estreitando relacionamentos com empresas de ponta. Parcerias com empresas
tecnologicamente avançadas facilitam a troca de informações, gerando dúvidas, questões,
pesquisas e, como conseqüência, conhecimento.
 
1 ARGAL Química Ind. e Com. Ltda.
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SUMÁRIO
I - INTRODUÇÃO ............................................................................................................................... 5
1. DEFINIÇÃO DE TORRE DE RESFRIAMENTO DE ÁGUA........................................................................... 5
2. VANTAGENS ................................................................................................................................... 5
II - CARACTERÍSTICAS DAS ÁGUAS E TRATAMENTO PRIMÁRIO ...................................... 5
III - NOÇÕES GERAIS DE TORRES DE RESFRIAMENTO.......................................................... 5
L. COMPONENTES ............................................................................................................................... 6
2. TIPOS DE TORRES E SUAS CARACTERÍSTICAS ..................................................................................... 6
2.1 - Torre de Ventilação Natural ................................................................................................. 6
2.2 - Torre de Tiragem Natural ..................................................................................................... 7
2.3 - Torre de Tiragem Mecânica.................................................................................................. 7
3. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS E ECONÔMICAS DE UMA TORRE ...................................................... 9
3.1 - Materiais de Construção...................................................................................................... 9
3.2 - Características Econômicas.................................................................................................. 9
IV - TIPOS DE SISTEMAS DE RESFRIAMENTO......................................................................... 10
1. INTRODUÇÃO................................................................................................................................ 10
2. SISTEMA ABERTO ......................................................................................................................... 10
3. SISTEMA FECHADO ....................................................................................................................... 10
4. SISTEMA SEMI-ABERTO DE RECIRCULAÇÃO ................................................................................... 10
V - BALANÇOS MASSICOS ............................................................................................................ 11
1. INTRODUÇÃO................................................................................................................................ 11
2. MECANISMOS DE RESFRIAMENTO EM SISTEMAS SEMI-ABERTOS...................................................... 11
3. PERDAS NO SISTEMA DE ÁGUA DE REPOSIÇÃO ................................................................................ 11
4. ÍNDICE DE LANGELIER E ÍNDICE DE RYZNAR................................................................................... 12
5. CICLOS DE CONCENTRAÇÃO E TEMPO DE RETENÇÃO ...................................................................... 13
VI - PRINCIPAIS PROBLEMAS EM SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO.................................... 14
1. CORROSÃO ................................................................................................................................... 15
2. INCRUSTAÇÕES E FORMAÇÕES DE DEPÓSITOS................................................................................. 15
2.1 - Carbonato de cálcio ........................................................................................................... 15
2.2 - Sulfato de cálcio ................................................................................................................. 16
2.3 - Deposição de Ferro ............................................................................................................ 16
2.4 - Sílica .................................................................................................................................. 16
2.5 - Contaminações Oleosas...................................................................................................... 16
2.6 - Contaminações Microbiológicas......................................................................................... 16
2.7 - Sólidos em Suspensão ......................................................................................................... 17
2.8 - Contaminações por hidrocarbonetos................................................................................... 17
3. PROLIFERAÇÃO DE MICROORGANISMOS ......................................................................................... 17
3.1 - Introdução .......................................................................................................................... 17
3.2 - Algas .................................................................................................................................. 17
3.3 Fungos............................................................................................................................... 19
3.4 - Importância de um controle de crescimento biológico ........................................................ 21
3.5 - Conseqüências de um controle inadequado......................................................................... 21
VII - TRATAMENTO DE ÁGUA DO SISTEMA DE RESFRIAMENTO...................................... 22
1. FINALIDADE ................................................................................................................................. 22
2. CARACTERÍSTICAS GERAIS ............................................................................................................ 22
3. ANÁLISE DE UM SISTEMA E PROCEDIMENTOS ................................................................................. 22
4. INIBIDORES DE CORROSÃO ............................................................................................................ 23
4.1 - Introdução .......................................................................................................................... 23
4
4.2 - Cromato ............................................................................................................................. 23
4.3 - Fosfatos condensados ou Polifosfatos .................................................................................o veiculo usado no condicionamento de ar de tais
sistemas.
2. Tipos
* sistemas abertos de torre de refrigeração;
* sistemas fechados de recirculação da água de refrigeração;
* sistemas de refrigeração convencionais acoplados a condensadores evaporativos.
Estes sistemas caracterizam-se por serem menores e mais compactos. A maioria das
unidades comerciais são de tiragem foorçada e de tiragem induzida.
Um dos materiais empregados na construção de tais torres atualmente é o aço
inoxidável ou ferro galvanizado, pois tais torres geralmente se localizam em grandes centros
urbanos, mais susceptíveis à intempéries ambientais.
As torres de refrigeração com condensador evaporativo são usadas principalmente em
sistemas de ar condicionado.
3. Esquema de uma torre com condensador evaporativo e suas vantagens
Vantagens:
* unidades compactas, pois a torre e o condensador estão na mesma unidade;
* a serpentina de refrigeração localizada abaixo dos bicos distribuidores
água substitui o enchimento convencional da torre;
* o condensador evaporativo utiliza um circuito fechado de água na parte inferior da
serpentina.
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4. Tratamento de torres de refrigeração comercial
Tais sistemas utilizam-se de tratamentos semelhantes aos usados em torre refrigeração
industrial.
Basicamente, os produtos usados são:
* inibidores sinérgicos de corrosão a base de cromato-zinco
* polímeros não iônicos, para controlar e dispersar impurezas incrustantes, evitando formação
de depósitos (são os inibidores de incrustação).
Geralmente, um programa de tratamento bem aceito pelos responsáveis de um sistema
de ar condicionado é aquele no qual a empresa tratadora de água controla todas as etapas,
como segue:
* fornecimento do equipamento para alimentação dos produtos químicos;
* seleção dos reagentes;
* testes de laboratório para controle;
* elaboração de relatórios.23
4.4 - Sais de zinco....................................................................................................................... 24
4.5 - Produtos Orgânicos ............................................................................................................ 24
4.6 - Nitritos ............................................................................................................................... 24
5. AÇÃO DOS AGENTES ANTI-DEPOSITANTES..................................................................................... 24
5.1- Introdução ........................................................................................................................... 24
5.2 - Floculantes......................................................................................................................... 24
5.3 - Dispersantes ....................................................................................................................... 24
5.4 - Quelantes ........................................................................................................................... 25
6. COMBINAÇÕES SINÉRGICAS........................................................................................................... 25
6.1 - Introdução .......................................................................................................................... 25
6.2 - Cromato-polifosfato............................................................................................................ 25
6.3 - Cromato-zinco .................................................................................................................... 26
6.4 - Cromato-fosfato-zinco ........................................................................................................ 26
6.5 - Polifosfato-zinco................................................................................................................. 26
6.6 - Orgânicos........................................................................................................................... 26
7. COMBATE AOS MICROORGANISMOS POR AGENTES BIOCIDAS ......................................................... 27
7.1 - Introdução .......................................................................................................................... 27
7.2 - Escolha e aplicação dos biocidas ....................................................................................... 27
7.3 - Compostos biocidas geralmente usados .............................................................................. 27
7.4 - Observações ....................................................................................................................... 28
8 - PROGRAMA DE TRATAMENTO E DOSAGEM DE PROD. QUÍMICOS....................................................... 29
8.1 - Introdução .......................................................................................................................... 29
8.2 - Pré-tratamento da água ...................................................................................................... 29
8.3 - Sistema fechado de recirculação (água de máquinas) ......................................................... 29
8.4 - Sistema semi-aberto de recirculação................................................................................... 29
8.5 - Dosagem de produtos químicos........................................................................................... 30
VIII - PRÉ-TRATAMENTO DE ÁGUA DE SISTEMAS DE RESFRIAMENTO .......................... 30
1. FINALIDADE ................................................................................................................................. 30
2. PRÉ-LIMPEZA ............................................................................................................................... 31
3. PRÉ-FILME ................................................................................................................................... 31
IX - MÉTODOS DE LIMPEZA DE SISTEMAS INDUSTRIAIS DE AGUA DE RESFRIAMENTO32
2. ESCOLHA DO MÉTODO DE LIMPEZA ............................................................................................... 32
3. PROGRAMAS DE LIMPEZA............................................................................................................... 33
4. VANTAGENS DE UMA LIMPEZA BEM REALIZADA .............................................................................. 33
5. MÉTODOS DE LIMPEZA .................................................................................................................. 33
5.1 - Físicos ................................................................................................................................ 33
5.2 - Químicos ............................................................................................................................ 34
X - TORRES DE REFRIGERAÇÃO COMERCIAIS...................................................................... 35
1. INTRODUÇÃO................................................................................................................................ 35
2. TIPOS ........................................................................................................................................... 35
3. ESQUEMA DE UMA TORRE COM CONDENSADOR EVAPORATIVO E SUAS VANTAGENS............................ 35
4. TRATAMENTO DE TORRES DE REFRIGERAÇÃO COMERCIAL ............................................................... 36
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I - INTRODUÇÃO
1. Definição de Torre de Resfriamento de água
Em muitos processes industriais, gera-se calor indesejável, que deve ser convenientemente
eliminado, geralmente pelo uso de 'água, devido as suas propriedades físicas peculiares, entre as quais,
uma alta condutividade térmica e um alto calor especifico.
Torres de resfriamento são equipamentos destinados ao recondicionamento da temperatura da
água de circulação utilizada num processo industrial, através do resfriamento continue da água de
retorno, por processes de evaporação ou irradiação pelo contato desta com o ar ou outro meio de
transferência de calor.
2. Vantagens
Algumas vantagens no emprego de sistemas de resfriamento são de ordem econômica, pois
diminui-se os custos operacionais, bem como o consumo de água requerido e minimiza-se os problemas
de poluição térmica.
II - CARACTERÍSTICAS DAS ÁGUAS E TRATAMENTO PRIMÁRIO
Geralmente, a água industrial (bruta) destinada a torres de resfriamento recebe um pré-
tratamento, variável conforme a fonte de captação da água. Os contaminantes encontrados em águas
naturais podem ser classificados em três subgrupos principais:
* Só1idos dissolvidos
* Sólidos em suspensão
* Gases dissolvidos
Dentre os principais sólidos dissolvidos presentes em concentrações variáveis, conforme o
manancial usado, pode-se citar o cálcio, magnésio, ferro, sílica, bicarbonatos, cloretos e sulfatos.
A água usada para reposição de um sistema deve estar livre de sólidos em suspensão. Entre os
gases dissolvidos em águas não poluídas, o oxigênio é o mais problemático, por ser um ativo
despolarizador catódico, causador de corrosão nas torres.
Via de regra, pode-se generalizar que:
* águas de poços: isentas de sólidos em suspensão
* águas superficiais, rios e represas : necessitam somente de um tratamento - prévio de clarificação e
filtração
* água de rede municipal : não necessitam de um pré-tratamento.
III - NOÇÕES GERAIS DE TORRES DE RESFRIAMENTO
O esquema abaixo ilustra os componentes principais de uma torre em contra-corrente,
de tiragem induzida:
A = tubulação de distribuição
B = enchimento
C = venezianas
D = eliminadores de respingo
E = Câmara plenum
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F = ventilador
G = bicos atomizadores
H = entrada de ar
I = bacia de captação de água fria
J = saída de ar
l. Componentes
Tubulação de distribuição de água: que pode ser substituída por canaletas ou tanques é
responsável pela distribuição adequada de água na torre.
Enchimento:responsável pelo aumento da superfície de contato da água.
Venezianas : orientam o caminho de entrada de ar e evitam respingos.
Eliminadores de respingo: retém as gotículas de água arrastadas com ar saturado de saída que
passa pelo enchimento. É constituído basicamente por aletas - que retém a água
do ar saturado.
Plenum : espaço vazio pelo qual o ar passa, após atravessar o enchimento e antes de sair
da torre.
2. Tipos de torres e suas características
Basicamente, as torres são classificadas segundo o processo de resfriamento utilizado.
Geralmente, usam-se 2 tipos de torres
* torres molhadas : empregam processos evaporativos
* torres secas : empregam processos de irradiação
2.1 - Torre de Ventilação Natural
As venezianas possuem dupla finalidade :
* orientam e auxiliam a passagem de ar
* reduzem a perda de água por respingamento
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2.2 - Torre de Tiragem Natural
O ar frio entra por baixo da torre e esquenta pela troca de calor com a água. Em
decorrên-cia:
* O ar que, entra esquenta, diminui a sua densidade e sobe
* Cria-se uma zona de baixa pressão na parte inferior da torre, provocando a entrada de mais
ar frio.
A estrutura hiperbólica da torre facilita a tiragem de ar quente.
2.3 - Torre de Tiragem Mecânica
Auxilia-se a tirada de ar, pelo uso de um ventilador, o que provoca um aumento da
vazão e Velocidade de troca térmica.
A tiragem de ar da torre pode ser . forçada ou induzida.
* tiragem forçada: ventilador localiza-se na entrada de ar da torre
* tiragem induzida: ventilador localiza-se na saída de ar da torre
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Torre Counter-Flow
2.3.1 - Torre em contra-corrente (counter-flow)
A água cai através do enchimento num percurso vertical e o ar usado para resfriamento
sobe na torre no sentido oposto.
2.3.2 - Torre, em corrente-cruzada (cross-flow)
A água cai verticalmente - através do enchimento e é resfriada pelo ar em trajetória
horizontal.
 Torre Cross-Flow
Existem ainda, 2 tipos de torres de fluxo cruzado:
a) simples: quando há somente uma entrada de ar por um único lado da torre
b) duplo: o ar entra por dois lados da torre
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3. Características Técnicas e Econômicas de uma Torre
3.1 - Materiais de Construção
3.1.1 - Para unidades compactas:
Há controvérsias quanto ao uso da madeira ou plástico.
MADEIRA PLÁSTICO
Durabilidade a mesma a mesma
Peso maior menor
Montagem mais difícil e
demorada
mais fácil
Aparência Visual razoável boa
Preço mais barato mais caro
Manutenção mais simples mais complicada
Perigo de Fogo reduzido grande, se o plástico não for
auto-extinguível
3.1.2 - Para unidades industriais médias e grandes:
Não há um posicionamento sólido não só quanto ao material construtivo, como
também quanto a estrutura de meta1, concreto ou madeira.
a) estrutura metálica : pouco utilizada, devido a problemas de corrosão, alto peso e custo.
b) estrutura de Madeira : são fáceis de montar e as fundações são de pequena extensão,
embora a manutenção exija maiores cuidados.
c) estrutura de concreto : exigem muito tempo para a instalação e maiores dificuldades de
montagem, aliados a custos iniciais mais elevados, fundações de maior capacidade, embora
a manutenção seja muito simples.
3.1.3 - Enchimento:
Há controvérsias também na escolha dos materiais de enchimento: plástico, madeira e
fibrocimento.
a) plástico: resiste bem a águas contaminadas, mas corre o perigo de incêndio, além de ser
caro.
b) madeira: é mais econômica e de manutenção mais simples. Usualmente, esta é pré-tratada
por impregnação para dar boa proteção contra deterioração.
c) fibrocimento: pouco indicado, por ser um material quebradiço, o que dificulta a montagem e
quando em operação esta sujeita a lixiviação ou desfibramento, concorrendo para a
formação de incrustações de carbonate de cálcio em outras etapas do processo.
3.2 - Características Econômicas
A escolha de uma torre com uma determinada capacidade, sua localização, material de
construção e estrutura, material de enchimento é um compromisso que deve existir levando-se
em conta os custos iniciais e operacionais, constituindo o custo global do investimento a ser
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realizado. Cabe ao comprador da torre, seguindo uma certa filosofia, assessorado pelo
fabricante, a escolha da melhor torre para as suas finalidades.
IV - TIPOS DE SISTEMAS DE RESFRIAMENTO
1. Introdução
Conforme a disponibilidade de água e do tipo de circulação, existem 3 sistemas
usualmente empregados:
* sistema aberto
* sistema fechado
* sistema semi-aberto de recirculação
2. Sistema Aberto
É empregado quando dispõe-se de grandes volumes de água de boas características,
usada numa única passagem e consegue-se abaixamentos sensíveis de temperatura.
Atualmente, tais sistemas sofrem várias restrições ambientais, devido aos grandes
volumes de água aquecida, provocando problemas graves de poluição térmica.
Além do mais, estes sistemas não devem ser instalados em locais onde o suprimento de
água seja incerto. Pelas características inerentes deste tipo de sistema, qualquer tratamento
químico seria demasiadamente oneroso para se evitar problemas devidos a qualidade da água.
3. Sistema Fechado
É empregado quando se deseja obter abaixamento mais acentuado da temperatura de
refrigeração da água. Por ser um sistema fechado, a água utilizada no circuito deve ser de boa
qualidade, isenta de sólidos em suspensão e de baixa condutividade. A reposição esporádica
de água deve ser feita para reparar eventuais vazamentos e o tratamento químico se resume
somente à água de reposição, desde que o sistema já esteja operando normalmente. Tal
sistema é pertinente ao resfriamento de trocadores de calor, de compressores, motores diesel,
etc..
4. Sistema Semi-Aberto de Recirculação
É empregado quando necessita-se de grandes vazões e há pouca disponibilidade desta.
Após o uso em equipamentos de processo, onde haja troca térmica, a água passa pela torre de
resfriamento onde tem a sua temperatura abaixada e é reciclada novamente.
Devido a sua concepção de projeto e apesar dos altos investimentos iniciais, este
sistema é o mais empregado, pois soluciona eventual escassez de água e permite um
tratamento adequado, necessitando controles analíticos mais criteriosos.
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V - BALANÇOS MASSICOS
1. Introdução
Por serem os sistemas semi-abertos de recirculação os mais empregados e os que apresentam
balanços materiais mais complexos e os maiores problemas com a água usada, dedicar-se-á
neste item, ênfase especial a estes sistemas.
2. Mecanismos de Resfriamento em Sistemas Semi-Abertos
A explicação do mecanismo de resfriamento será baseada no esquema abaixo:
A água quente proveniente, de equipamentos de processo adentra a torre de
resfriamento por cima e após ser atomizada nas canaletas de distribuição, atravessa o
enchimento, onde ocorre um contato mais intimo entre a água e o ar frio ascendente, o que
provoca uma evaporação parcial da água que sai com o ar, quando a umidade relativa do
mesmo é inferior a 100%. Este processo ocorre mediante a troca de calor, pois a água vai
esfriando gradativamente do topo até o fundo da torre, enquanto em sentido inverso o ar vai se
aquecendo , o que provoca mais evaporação de água e aumenta a capacidade de retenção de
água pelo ar. Consequentemente, é medida que a água vai sendo refrigerada, ocorrem perdas
no sistema devido a evaporação, arraste e descargas.
O mecanismo de resfriamento de uma torre ocorre principalmente por evaporação,
sendo que pequena parcela (em torno de 5%) se deve à convecção natural.
3. Perdas no Sistema de Água de Reposição
Devido a evaporação, as impurezas não voláteis presentes na água de reposição vão se
concentrando e, para evitar que alguns constituintes atinjam valores excessivos, parte da água
de recirculação deve ser retirada do sistema através de descargas, de modo a permitir a
reposição com "água nova", contendo menor teor de impurezas.
A perda por evaporação é diretamente proporcionai à diferença de temperatura entre o
topo e o fundo da torre. Por exemplo, para uma queda de temperaturade 10ºC ao longo não
da torre, a perda por evaporação eqüivale a cerca de 2% da vazão de recirculação da água. O
gradiente térmico entre o topo e o fundo de uma torre é una indicação da eficiência desta.
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Além das perdas por evaporação, por descargas (provocadas) e outros vazamentos, há
perdas por arraste devidas aos respingos normais decorrentes da distribuição da água em
gotículas pequenas.
As perdas por arraste variam conforme os critérios de construção da torre, do tipo e
sua localização. A tabela seguinte expressa a perda por arraste como uma porcentagem da
vazão da água de circulação (%A).
tipo de torre variação % A valor médio % A
tiragem natural 0,3 - 1,0 0,5
tiragem forçada 0,1 - 0,3 0,2
tiragem induzida 0,1 - 0,3 0,2
spray pond 1,0 - 5,0 2,5
condensador evaporativo 0,1 - 0,2 0,1
Em termos analíticos, o balanço mássico a seguir indica a quantidade total de água a
ser reposta no sistema:
R = E + A + D
onde:
R = água de reposição
E = perdas por evaporação
A = perdas por arraste
D = perdas por descargas e devidas a outros eventuais vazamentos
4. Índice de Langelier e Índice de Ryznar
O índice de Langelier (IL) ou índice de Equilíbrio, mede a tendência corrosiva ou
incrustante de uma água. Para um dado tipo de água a uma determinada temperatura, existe
um valor de pH denominado de saturação e indicado por pHs, onde o carbonato de cálcio está
em equilíbrio com o meio aquoso. O valor de pHs depende do teor de sólidos dissolvidos, da
alcalinidade, da dureza cálcica e da temperatura da água.
Os valores de pHs são obtidos através de ábacos ou tabelas, de usos simples e rápidos,
evitando-se cálculos trabalhosos através das fórmulas desenvolvidas por Langelier.
IL = pH - pHs
Se IL > 0 => pH > pHs a água é incrustante e tende a precipitar carbonato de cálcio
O uso de polímeros orgânicos naturais ou sintéticos permite acertar convenientemente
o índice.
Se IL pH a água e incrustante
Se IR a Água é agressiva
Para uma água agressiva, na qual se constate que o IL = 0 ou IR= 6,0 verifica-se
experimentalmente que o processo corrosivo é mais lento. Todavia, uma água agressiva não é
necessariamente corrosiva.
Alguns autores consideram o índice de Ryznar mais representativo da água incrustante
ou agressiva de um sistema que o índice de Langelier.
Em síntese, tais índices são úteis como auxiliares no controle da corrosão, incrustação
e do pH num tratamento.
De preferência, tais Índices de equilíbrio devem ser controlados de forma a manter a
água ligeiramente agressiva.
De qualquer forma, estes controles são meros paliativos, pois gradientes térmicos no
sistema (locais da torre de alta temperatura são mais sujeitos a deposições, enquanto que locais
de baixa temperatura são mais sujeitos a corrosões), mudanças nas condições operacionais da
torre e presença de produtos para tratamento químico da água alteram o uso na aplicação dos
referidos índices.
5. Ciclos de Concentração e Tempo de Retenção
Numa torre, de resfriamento, na qual ocorre perdas por evaporação, arraste, há
necessidade de descargas para sua desconcentração é imprescindível a reposição de água no
mesmo.
A concentração da água de recirculação deve-se principalmente à presença de dureza e
de contaminantes não voláteis.
Pode-se dizer que a quantidade de água a ser - reposta num sistema é função do tempo
de retenção e dos ciclos de concentração.
O tempo de retenção numa torre indica o tempo necessário para que, a concentração
de uma determinada substância presente na água de circulação se reduza à metade (não
considerando adições posteriores).
Analiticamente, t = 0,6 V/P
onde:
t = tempo de retenção (h)
v = volume do sistema (m3)
p = perdas por descarga e arraste (m3/h)
Tendo em vista que uma água de reposição pré-tratada presente sólidos dissolvidos que
vão se concentrando na água circulante, atingir-se-á um ponto no qual não há mais condições
físicas de aumento de concentração, pois haverá uma equivalência entre, a concentração das
substâncias perdidas no arraste e a concentração das substâncias oriundas da reposição.
Tal limitação física pode ser calculada pela determine de ciclos de concentração
máximos teóricos permissíveis.
O ciclo de concentração máximo teórico indica quantas vezes uma água pode
concentrar-se num sistema, pela evaporação parcial ou total da mesma, sem a ocorrência de
descargas.
Analiticamente, tal relação pode ser expressa por :
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C
E A
At =
+% %
%
(1)
Através da análise da água de reposição, obtém-se os subsídios necessários que
permitem calcular o ciclo de concentração permissível Cp, atingido pela água naturalmente.
Se Ct calculado for maior que o valor máximo permissível pela qualidade da água de
reposição, então deve-se proceder a uma desconcentração maior do sistema pela aplicação de
descargas.
Neste caso, Cp será dado por:
C
E A D
A Dp =
+ +
+
% % %
% %
(2)
Na realidade, Cp representa a relação existente entre um determinado sólido presente na
água de circulação e na água de reposição ou equivalentemente, a relação existente entre as
vazões da água de reposição e as vazões devidas às perdas por arraste e descarga.
Rearranjando os termos da expressão (2):
%
%
%D
E
C
A
p
=
−
−
1
(3)
Logo, verificada a necessidade da aplicação de descargas para manter a concentração
dos diversos constituintes da água do sistema em níveis adequados, usa-se a expressão (3) para
calcular a freqüência de descargas a serem efetuadas.
VI - PRINCIPAIS PROBLEMAS EM SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO
Os problemas mais freqüentes e de ocorrência geralmente simultânea em águas de
sistemas de refrigeração são os abaixo discriminados:
* corrosão
* incrustação ou formação de depósitos
* proliferação de microorganismos
15
1. Corrosão
O processo corrosivo pode ser iniciado pela agressividade da própria água, atacando o
ferro metálico do sistema e formando um depósito de Fe2O3 . nH2O resultante da corrosão,
responsável por incrustações, depósitos e formações de células de corrosão diferencia1.
A precipitação de carbonatos a partir de bicarbonatos, provenientes de uma
concentração excessiva na água do sistema de resfriamento, também gera células de corrosão
diferencial, formando produtos de corrosão na superfície metálica. Este efeito é mais
pronunciado em trocadores de calor, onde a temperatura é maior.
A presença de metais dissimilares em contato no sistema, acelera a corrosão galvânica
devido ao estabelecimento de uma diferença de potencial onde o metal menos nobre se toma
uma área anódica e se corrói.
A presença de microorganismos também causa corrosão, sendo que os produtos de
corrosão resultantes de seu metabolismo celular podem ser provenientes de mecanismos
aeróbicos, anaeróbicos ou facultativos.
Muitas vezes, as impurezas presentes num sistema, provenientes de contaminantes ou
da água de reposição, causam incrustações e formações de depósitos.
2. Incrustações e Formações de Depósitos
Especificamente, estes problemas geralmente se devem aos seguintes fatores:
* produto de corrosão;
* contaminação microbiológica;
* só1idos em suspensão;
* contaminações oleosas;
* produtos insolúveis decorrentes de reações químicas na água;
* incrustações inorgânicas provenientes da deposição de um sal pouco solúvel;
* contaminações por hidrocarbonetos
Entre os depósitos que podem se formar no sistema, sob diversas condições
operacionais, citam-se:
2.1 - Carbonato de cálcio
Uma água contendo gás carbônico dissolvido, reage com o carbonato de cálcio,
formando bicarbonato de cálcio solúvel. Quando esta água é aquecida, o bicarbonatodecompõe-se precipitando o carbonato. Um modo de controlar tal precipitação, consiste no
abaixamento do pH.
As reações que ocorrem são:
CaCO3 + CO2 + H2O => Ca(HCO3 )2
Ca(HCO3 )2 = >
∆
CaCO3 ê + CO2 ì + H2O
Uma elevação de pH, num tratamento alcalino, não redissolve o cabonato de cálcio,
havendo um aumento na espessura do depósito formado, o que aumenta ainda mais seu poder
de isolante térmico.
16
2.2 - Sulfato de cálcio
O sulfato de cálcio é um sal cuja solubilidade aumenta até cerca de 40ºC, decrescendo
rapidamente a temperaturas superiores. A deposição deste sal provoca incrustações duras no
metal. Tal deposição pode ser melhor controlada pela limitação dos ciclos de concentração.
Reação:
Ca SO H O CaSO H O2
4
2
2 4 22 2+ −+ + → .
2.3 - Deposição de Ferro
Os íons de ferro provenientes de produtos de corrosão ou da água de reposição ou de
contaminações atmosféricas formam depósitos de grande volume.
Reações:
Fe2+ + 2 OH- => Fe(OH)2
2Fe(OH)2 + H2O + ½ O2 => 2Fe(OH)3
Deve-se manter uma concentração baixa de ferro (menor que 5 mg/l) com o uso de
dispersantes especiais para ferro.
2.4 - Sílica
A sílica presente na água do sistema pode reagir com sais de dureza (Ca e Mg),
formando silicatos insolúveis e outras incrustações vítreas difíceis de se remover. O teor de
sílica no sistema deve ser mantido o mais baixo possível.
Reações:
Mg2+ + SiO2 + H2O => MgSiO3 + 2H+
Ca2+ + SiO2 + H2O => CaSiO3 + 2H+
2.5 - Contaminações Oleosas
São muito indesejáveis em sistemas de resfriamento, face aos problemas que originam.
Os óleos formam uma película sobre as superfícies metálicas, dificultando a transferência de
calor, diminuindo a eficiência de inibidores de corrosão e servem de nutrientes para os
microorganismos presentes na água.
2.6 - Contaminações Microbiológicas
São responsáveis pela agregação de outros tipos de depósitos, face a sua natureza
adesiva. Como conseqüência da presença de depósitos orgânicos no sistema, pode-se citar:
* diminuição da troca térmica;
* aumento da perda de carga no sistema;
* corrosão embaixo do depósito;
* diminuição da vida útil do sistema;
17
* falta de segurança operacional;
* perdas de produção no processo;
* redução de lucro no sistema.
2.7 - Sólidos em Suspensão
Além dos presentes na água de reposição, há os provenientes do ar (torre atua como
um lavador de ar). A deposição de sólidos em suspensão provoca incrustações em trocadores
de calor, por exemplo.
Como conseqüência, estes têm o fluxo de água restringido, bem como, sua eficiência
cai sensivelmente.
Além do mais, os sólidos em suspensão favorecem a corrosão por aeração diferencial
nas áreas sob os depósitos (estas águas estão isentas de água e o oxigênio presente no local é
consumido). Como via de regra, o teor de sólidos em suspensão deve ser limitado a teores
abaixo de 250 ppm em águas circulantes.
2.8 - Contaminações por hidrocarbonetos
De ocorrência usual em refinarias, são provenientes de vazamentos. Os
hidrocarbonetos recobrem as superfícies metálicas, dificultando a ação de inibidores, reduzindo
a transferência de calor e tendem a formar depósitos localizados juntamente com os sólidos em
suspensão.
3. Proliferação de Microorganismos
3.1 - Introdução
Os microorganismos são seres vivos microscópicos, presentes em qualquer parte do
ambiente e têm a nobre função de restaurar o equilíbrio natural do ciclo de vida que tenha sido
perturbado.
A grande variedade de microorganismos existentes estão presentes em todos os series
vivos, nas mais diversas condições de temperatura, pH, etc. favoráveis ao seu
desenvolvimento.
As condições nas quais operam a maioria dos sistemas de resfriamento e outros
equipamentos de troca térmica muitas vezes oferecem o ambiente “aquático” ideal de
proliferação de microorganismos indesejáveis, face aos muitos problemas vinculados à água e
ao sistema que acarretam.
Entre os microorganismos presentes em sistemas de resfriamento, pode-se citar as
algas, os fungos e as bactérias, que causam problemas de corrosão e deposição, além de
provocar o apodrecimento da madeira de enchimento da torre.
3.2 - Algas
São plantas simples, caracterizadas pelo pigmento verde, clorofila; as algas sintetizam
seu próprio alimento, pela ação conjunta do ar, luz solar e da água sobre a clorofila.
As algas se encontram nas partes mais expostas é luz, e com aeração suficiente dos
sistemas de refrigeração.
18
Um desenvolvimento incontrolado das mesmas, forma nas paredes das torres de
refrigeração depósitos de aspecto gelatinoso ou filamentoso; tais depósitos podem encher a
torre até obstrui-la, podendo provocar adicionalmente, um colapso na estrutura. As algas
podem formar depósitos destas características também em tubulações e trocadores de calor.
A obstrução das tubulações pelos microorganismos diminui o coeficiente de troca
térmica dos aparelhos, a ponto de ser necessário a paralisação das instalações, com os
prejuízos decorrentes.
Existem 3 grupos de algas, geralmente encontradas em sistemas semi-abertos de
resfriamento:
* algas diatomáceas
* algas verdes
* algas azul-esverdeadas
Estes grupos de algas produzem oxigênio, que despolariza a reação de corrosão, o que
acelera a destruição de um sistema de resfriamento.
As algas diatomáceas possuem um pigmento marrom e possuem sílica em suas paredes
celulares, o que provoca obstrução em sistemas de resfriamento.
As algas azul-esverdeadas fixam o nitrogênio do ar, formando compostos orgânicos
nitrogenados. Estas algas são responsáveis pela deterioração acelerada dos inibidores de
corrosão baseados em nitritos.
A tabela a seguir mostra resumidamente os tipos mais comuns de algas presentes em
sistemas de resfriamento e as condições mais favoráveis de crescimento:
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condições de crescimento
grupo exemplos temperatura pH
verde Chlorella (unicelular)
Ulothrix (filamentosa)
Spirogyra (filamentosa)
30 a 35 ºC 5,5 - 8,9
azul
esverdeada
(pigmento
azul)
Anacystis (unicelular,
formadora de lodo)
Prormidium
(filamentosa)
35 a 40 ºC 6,0 - 8,9
diatomáceas
(pigmento
marrom e
sílica nas
paredes
celulares)
Flagilaria
Cyclotella
Diatoma
18 a 36 ºC 5,5 - 8,9
As algas, na realidade, podem ser associações complexas de microorganismos, a saber:
algas, fungos, bactérias, vivendo mais ou menos em simbiose.
3.3 Fungos
Caracterizam-se pelo fato de não possuírem clorofila. Consequentemente, por não
serem seres fotossintéticos, estão na dependência de metabólitos provenientes de outros
organismos.
Muitos fungos utilizam-se da madeira como fonte de nutrientes, deteriorando o
madeiramento de sistemas de água de refrigeração.
Os fungos requerem umidade e oxigênio para seu crescimento. Proliferam-se, em
regiões que estão ou não sob a ação da luz solar. Geralmente, são responsáveis pela lama
depositada em linhas e partes fechadas do sistema e superfícies de troca térmica.
Um desenvolvimento intenso dos fungos arrasta-os para dentro do sistema, podendo
ocorrer uma obstrução no fluxo de água pela formação de depósitos em trocadores de calor,
por exemplo, ocorrendo como conseqüência também, uma corrosão localizada sob os
depósitos.
Estes fungos são responsáveis pela alteração da cor da água e da madeira da torre.
O quadro a seguir, elucida as principais características dos fungos e os problemas por
estes acarretados em torres de resfriamento:
20
tipo de
fungo
exemplo Características temperatura
ºC
ph problemas
causados
Bolor
filamentoso
- Aspergillus
- Penicilium
- Eusarium
- Mucor
- Alternaria
preto, azul,
amarelo,
branco, cinza,
marrom, rosa
0 - 38 2 - 8
5,6 (ótimo)
apodrecimento da
superfície da
madeira
fermento
(levedura)
Saccharomyces
Torula
crescimento
gelatinoso
0 - 38 2 - 8
5,6 (ótimo)
descoloração da
água e da madeira
Bacilos
Mycetes
Poria
Lenzites
branco ou
marrom
0 - 38 2 - 8
5,6 (ótimo)
apodrecimento
interno da madeira
As bactérias anaeróbias encontram-se e desenvolvem-se principalmente em regiões não
aeradas da torre, como por exemplo, sob os depósitos na baciada torre ou sob os tubérculos
formados no interior de tubulações e em águas carregadas de sulfatos. Estas bactérias podem
se encontrar em regiões aeradas da torre, sob os depósitos, onde há pouca oxigenação. A
principal bactéria deste tipo é a Dessulfovibrio dessulfuricans, que atua como despolarizante
catódico, acelerando a reação da corrosão, pela redução dos ions de sulfato presentes na água,
formando o gás sulfídrico (H2S).
Mecanismo:
área anódica:
4 Fe → 4 Fe2+ + 8 e -
área catódica:
8 H2O + 8 e- → 8 OH- + 8 H
ação despolarizante:
SO4
-- + 8 H → S-- + 4 H2O + calor
 (*) esta reação e catalisada biologicamente pela bactéria redutora de sulfato em condições
anaeróbicas.
Fe2+ + S2- → Fe S (produto de reação de cor preta)
3 Fe2+ + 6 OH- → 3 Fe(OH)2 (Produto de corrosão de cor castanha)
A reação total do processo corrosiva pode ser expressa por:
4 Fe + SO4
-- + 4 H2O → FeS + 3 Fe (OH)2 + 2 OH-
A presença destas bactérias pode ser evidenciada visualmente, pela formação de
“pústulas” de FeS (sulfeto de ferro), vermelhas exteriormente e pretas internamente, que
recobrem uma cavidade na qual o ferro tenha sido dissolvido .
A adição de um ácido forte na pústula, libera o gás sulfídrico (corrosivo em meio
aquoso), de odor característico, confirmando a presença da bactéria Dessulfovibrio
dessulfuricans.
21
FeS + 2 H+ → Fe++ + H2S (meio ácido)
H2S + Fe (do aço) → FeS + H2
As bactérias aeróbicas ferrosas do tipo Crenothrix, Gallionela, Leptothrix aceleram a
reação de oxidação dos bicarbonatos férricos, formando óxido de ferro ou hidróxido férrico.
A reação que ocorre é:
4 Fe2+ + 8 HCO3
- + 2 H2O + O2 → 4 Fe (OH)3 + 8 CO2
A oxidação torna a água turva e com ligeira coloração avermelhada, devido ao Fe2O . n
H2O em suspensão.
A precipitação deste em tubulações, forma tubérculos e as conseqüências decorrentes
da formação de depósitos. Portanto, deve-se limitar a presença de ferro dissolvido na água do
sistema de resfriamento.
3.4 - Importância de um controle de crescimento biológico
* Evitar a queda de eficiência térmica do sistema (devido a deposição de limos, algas e fungos
nas superfícies do sistema)
* Evitar formação de pilha de aeração diferencial, que origina corrosão sob forma de pites ou
alvéolos abaixo dos depósitos
* Evitar ataque biológico ao enchimento de madeira da torre de resfriamento (delignificação
da madeira)
* Evitar formação de sulfato ou ácido sulfúrico (que torna o meio mais ácido e mais
corrosivo) pelas bactérias oxidantes de enxofre
* Evitar presença de bactérias redutoras de sulfatos, que tem ação despolarizante, acelerando
o processo corrosivo.
A corrosão microbiológica geralmente ocorre paralelamente à corrosão convencional, o
que dificulta a avaliação da presença de microorganismos.
O controle microbiológico geralmente é feito por observação visual da torre e por
contagem de colônias de microorganismos em placas de Petri.
3.5 - Conseqüências de um controle inadequado
O acúmulo e desenvolvimento continuo de microorganismos em um sistema de água de
refrigeração causam vários transtornos. Um programa de controle microbiano inadequado
afeta o controle eficaz de corrosão e depósitos, com dificuldades sempre crescentes.
Conseqüências :
* redução da eficiência de operação da torre de refrigeração;
* aumento substancial do custo operacional da indústria;
* a colônia de microorganismos provoca mau cheiro e poluição ambiental.
22
VII - TRATAMENTO DE ÁGUA DO SISTEMA DE RESFRIAMENTO
1. Finalidade
O objetivo básico de um tratamento químico de uma água destinada a um sistema de
resfriamento é o de evitar a corrosão, a incrustação, a deposição e desenvolvimento
microbiológico, haja vista que tais problemas onerariam o custo operacional do sistema,
diminuiriam sua vida útil e sua eficiência.
2. Características Gerais
Um método útil de controle da eficiência de um sistema é pela verificação do
desempenho obtido em trocadores de calor utilizados em algum processo. A eficiência será
máxima quanto forem mínimos os efeitos de incrustação na torre. um dos maiores problemas
operacionais de torres de resfriamento se deve a presença de algas, que podem inclusive causar
obstruções internas de equipamentos; muitas vezes, para se evitar isso, usa-se filtros
adequados a montante dos aparelhos.
Para o tratamento adequado de qualquer torre de resfriamento, é imprescindível o
perfeito conhecimento não só das características físicas do sistema, corno das análises da água
de reposição e circulação, que permitem conduzir aos cálculos analíticos de suma importância
para a boa operação da torre.
A partir da análise das qualidades da água de reposição, estipula-se um ciclo máximo
de concentração permissível, de modo que os contaminantes não excedam certos valores
máximos no sistema.
Em seguida, checa-se o ciclo de concentração atingido pela água naturalmente, sem
descargas e a partir daí, verifica-se a necessidade ou não e a quantidade de descargas
necessárias.
3. Análise de um Sistema e Procedimentos
Levando-se em conta que os sistemas semi-abertos de recirculação são os mais usuais,
abaixo encontra-se um modelo do procedimento mais indicado no estudo de um dado sistema.
Este modelo, com algumas modificações, pode ser aplicado a sistemas abertos e fechados.
a) Informações de operação do sistema - dados físicos
* vazão de recirculação
* volume do sistema
* tempo de operação
* gradiente térmico
* perda por evaporação e arraste
b) Análise de água de reposição
c) Cálculos
* ciclos teóricos
* ciclos permissíveis para um dado tratamento
* descargas e vazão de reposição
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d) Tratamento - químico
* inibidores de corrosão(combate à corrosão)
* dispersantes (combate à incrustações)
* microbicidas (combate à microorganismos)
* correção de pH (adição de ácido ou soda)
4. Inibidores de Corrosão
4.1 - Introdução
O alto teor de oxigênio e de sais dissolvidos numa água, aumenta a corrosividade desta.
Os inibidores de corrosão protegem os vários metais existentes num sistema do ataque
corrosivo da água circulante; para tanto, um ajuste adequado do pH da água de circulação
facilita a formação do filme inibidor; para o tratamento ter êxito é primordial que a superfície
metálica esteja isenta de depósitos, produtos de corrosão, limos biológicos e outros resíduos
Inúmeros inibidores podem ser usados, de características e eficiência variáveis:
 4.2 - Cromato
O tratamento à base de cromato é tido como o mais efetivo na inibição da corrosão em
sistemas de água de refrigeração. A proteção consiste na formação de película (filme de óxido
férrico e óxido crômico) na superfície metálica. Inicialmente, aplica-se altas dosagens de
inibidor, a fim de permitir a formação do filme protetor, seguida de uma redução gradual, até
um nível mínimo considerado protetivo.
Neste tratamento, mantém-se geralmente o pH da água de refrigeração entre 7,5 e 9,5
com o intuito de se evitar a precipitação dos sais de dureza, que impediriam a passivação de
toda a superfície metálica. É necessário um controle adequado da concentração de ânions de
cloretos, sulfatos, sulfetos que possam estar presentes na água recirculante, para evitar a
tendência destes ânions em alta concentração, de destruir a película protetora de cromo e
ferro.
4.3 - Fosfatos condensados ou Polifosfatos
Atuam como inibidores de corrosão e reagem com a dureza e oxigênio da água. Os
fosfatos formam uma película protetora sobretudo nas áreas catódicas do metal. Os
polifosfatos revertem-se quimicamente a ortofosfatos sob a ação de temperaturas elevadas, pH
baixo, altas concentrações de fosfatos e altos tempos de retenção no sistema; portanto, exige-
se um controle muito cuidadoso de sua concentração em meio aquoso, para evitar deposições
no sistema.
Os polifosfatos e ortofosfatos servem também de nutrientes para o crescimento
biológico. Face a estas desvantagens, um outro inconveniente deste tratamento é que a
formação de filmes inibidores é bastante lenta, exigindo dosagens iniciaiselevadas de fosfatos.
Este fato aumenta as possibilidades da aceleração na formação de depósitos neste período.
Os polifosfatos são mais úteis como inibidores de incrustações, pois auxiliam na
remoção de dureza e oxigênio na água.
24
4.4 - Sais de zinco
São inibidores catódicos de corrosão relativamente fracos. A polarização de áreas
catódicas ocorre rapidamente, pela formação de um filme de hidróxido de zinco que, todavia, é
pouco durável, o que diminui sua eficiência inibidora quando isoladamente usado.
4.5 - Produtos Orgânicos
O tratamento à base de produtos orgânicos, constituídos de substâncias naturais e
polímeros sintéticos, atuam como inibidores de corrosão, auxiliando ou formando um filme
protetor de óxido metálico ou filme protetor insolúvel, ou pela criação de um filme orgânico
ativo na superfície do metal.
4.6 - Nitritos
São inibidores anódicos de corrosão, que em dosagens adequadas induzem a superfície
metálica a formar uma película apassivada impermeável. Este filme é atacado por íons de
cloreto e sulfato. Uma das vantagens dos nitritos deve-se a propriedade de passivar aço
enferrujado e limpar superfícies ferrosas. Os nitritos atuam especificamente como inibidores de
corrosão em alumínio, estanho e outros metais ferrosos, na faixa de pH entre 9 e 10. Uma das
desvantagens dos nitritos se deve ao fato de servirem de nutrientes a alguns tipos de
microorganismos, além de serem atacados por algumas espécies bacteriológicas.
5. Ação dos Agentes Anti-Depositantes
5.1- Introdução
Aliado aos inibidores de corrosão, existem produtos de ação anti-depositante nas
superfícies metálicas do sistema. Dependendo da ação especifica de tais produtos, podem ser
classificados como agentes floculantes, dispersantes ou quelantes.
5.2 - Floculantes
São polímeros de peso molecular elevado ou baixo, dependendo do tipo de depósito a
que se destina. Possuem uma carga eletrostática adequada para neutralizar a carga do material
incrustante. Muitos destes agentes possuem grupos funcionais aniônicos (predominantemente
aminas) que favorecem a aglutinação de impurezas negativamente carregadas. O mecanismo de
ação do floculante catiônico ou aniônico, consiste na reação de superfície com o depósito,
materiais em suspensão, limo e matéria biológica, formando uma aglomeração individual das
partículas em flocos leves e fofos, que ficam em suspensão na água, sendo facilmente
eliminados pela aplicação de descargas.
5.3 - Dispersantes
São compostos orgânicos naturais ou polieletrólitos sintéticos, usualmente aniônicos,
de baixo peso molecular, que em solução aquosa adquirem carga negativa.
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O dispersante interfere na aglomeração das partículas coloidais e na atração destas à
superfície metálica e devido ao excesso de carga negativa conferida pelo dispersante na
superfície da matéria em suspensão, faz com que os sólidos se repilam mutuamente. Além
disso, os polieletrólitos podem evitar a formação de incrustações, visto que se forma uma
estrutura cristalina irregular com as impurezas de incrustação, o que evita a deposição de um
material denso e uniforme. Entre os principais dispersantes, destacam-se os poliacrilatos e
polimetacrilatos.
5.4 - Quelantes
Sua formulação é baseada em compostos orgânicos naturais e sintéticos, que reagem
com íons de dureza e outros íons metálicos, formando complexos solúveis e estáveis. Por ser a
reação estequiométrica, sua aplicação se torna antieconômica na complexação de íons de
dureza.
6. Combinações Sinérgicas
6.1 - Introdução
Na prática, no tratamento de água de um sistema de resfriamento, utilizam-se
combinações sinérgicas de dois ou mais produtos, que em conjunto apresentam uma eficiência
maior no tratamento do que atuando isoladamente. A vantagem das combinações sinérgicas
consiste de, em baixas dosagens e um controle adequado do pH da água de recirculação,
proporcionar uma ótima eficiência na formação de filmes protetores.
Existem várias combinações sinérgicas, sendo que todas têm suas vantagens e
limitações, devendo para cada caso ser estudada a proporção ideal.
Algumas formulações sinérgicas apresentam alguns inconvenientes de toxicidade,
problemas quanto ao favorecimento do crescimento biológico e quanto a rapidez de formação
de filme protetor e sua durabilidade.
O uso de uma dada formulação também é condicionado pelo fator custo por ciclo de
concentração.
Entre as combinações sinérgicas mais comuns, pode-se citar:
* cromato-polifosfato
* cromato-zinco
* cromato-fosfato-zinco
* polifosfato-zinco
* orgânicos
6.2 - Cromato-polifosfato
Atuando em conjunto, estes dois componentes possuem uma eficiência maior, devido
ao poder dispersante ou anti-incrustante do polifosfato que mantém a superfície metálica limpa,
proporcionando uma formação rápida do filme de cromato.
A proporção entre os dois componentes da mistura pode ser muito variável e as
dosagens da mesma são muito flexíveis, podendo variar entre 30 e 75 mg/l. O tratamento
aplicado deve ser criterioso, pois os fosfatos servem de nutrientes para os microorganismos e
26
altas dosagens da mistura necessitam de um controle de descargas adequado, para se evitar a
deposição de ortofosfatos de cálcio e ferro.
6.3 - Cromato-zinco
Esta mistura, aplicada em baixas dosagens, entre 5 e 10 ppm, numa faixa de pH entre
6,5 e 7,5 se caracteriza pela rápida formação do filme inibidor na superfície metálica (estando
esta isenta de depósitos após a realização de um pré-tratamento). Devido ao relativo grau
tóxico desta mistura, esta ajuda no combate de microorganismos presentes no sistema,
diminuindo a quantidade de microbicidas necessários. Tomadas as devidas precauções de se
evitar a formação de depósitos, este tratamento se mostra eficiente e econômico.
6.4 - Cromato-fosfato-zinco
A adição de zinco numa mistura cromato-fosfato, permite uma redução global das
dosagens aplicadas sem prejudicar a eficiência inibidora da mistura. Mantendo-se o pH um
pouco acima de 7,0 favorece-se a deposição de um filme de fosfato de zinco ou hidróxido de
zinco nas áreas catódicas e de um filme te óxido de ferro e de cromo nas áreas anódicas.
Deve-se evitar ao máximo a reversão de polifosfatos a ortofosfatos de cálcio e de ferro
que se precipitariam em superfícies mais aquecidas. Devido às baixas dosagens necessárias da
mistura sinérgica, há pouca reversão dos polifosfatos, o que contribui para a eficiência do
tratamento.
6.5 - Polifosfato-zinco
Usado em sistemas onde a corrosão não é muito severa, o que permite manter residuais
de fosfato baixos, sem encarecer o tratamento.
0 filme de zinco se forma rapidamente nas superfícies metálicas, o que compensa a
baixa velocidade de formação de película de fosfatos. Todavia, por estas características,
consegue-se obter um filme final mais durável e resistente, pois forma-se primeiro um filme de
hidróxido de zinco, seguido de um filme de polifosfato de cálcio ou zinco. A mistura é pouco
tóxica e os sistemas necessitam de maiores quantidades de biocidas para controlar o
crescimento biológico.
6.6 - Orgânicos
Este tratamento consiste na mistura de compostos orgânicos, associados a um
composto inorgânico que assegura uma maior eficiência da mistura, tais como os fosfonatos-
zinco, que possuem boas propriedades como inibidores de corrosão. Os fosfonatos possuem
características semelhantes aos polifosfatos, mas são muito mais estáveis e não se revertem a
ortofosfatos; podem complexar íons de cálcio e outros cátions metálicos polivalentes. São
bons agentes umectantes e dispersantes, além de estabilizar o ferro e manganês na água, podem
também estabilizar soluções supersaturadas de carbonatos e sulfatos de cálcio.
Geralmente, as misturas de fosfonatos-zinco atuam numa faixa de pH entre 6,5 e 7,0.
Em sistemas onde um controle de crescimento biológico seja necessário, não se deve usar
biocidas oxidantes, como por exemplo o cloro, pois este reage com os fosfonatos formando
compostos orgânicos clorados.
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7. Combate aos Microorganismos por Agentes Biocidas
7.1 -Introdução
Na prevenção da corrosão por microorganismos em sistemas de resfriamento,
usualmente se aplicam 2 métodos:
a) inibição ou morte de microorganismos, com o uso de microbicidas;
b) aplicação de revestimento, em sistemas particulares e pequenos.
A dosagem dos microbicidas é função do nível de contaminação, da eficiência do
microbicida e do tempo de contato.
7.2 - Escolha e aplicação dos biocidas
7.2.1 - Escolha
A escolha de um biocida para controlar o desenvolvimento de bactérias e fungos leva em
consideração os seguintes fatores:
* controle eficaz dos microorganismos que predominam no sistema;
* custo do tratamento;
* qualidade da água de reposição;
* toxicidade do biocida.
7.2.2 - Aplicação
Escolhido o biocida mais efetivo, deve-se proceder a uma aplicação adequada. A
concentração do biocida, a duração e a freqüência da alimentação são parâmetros importantes.
a) Tratamentos de choque descontínuos: usam-se dosagens elevadas de biocidas que
promovem efeitos drásticos sobre os microorganismos, dificultando seu desenvolvimento.
Quando se aproxima o ponto no qual algum microorganismo possa crescer, aplica-se outra
dosagem de choque, o que inibe o desenvolvimento do microorganismo no sistema, face às
condições desfavoráveis.
b) Tratamentos contínuos: usam-se dosagens pequenas de biocidas, aplicados
continuamente. Procede-se a um rodízio com dois ou três microbicidas, devido à imunidade
que alguns microorganismos podem desenvolver a um determinado biocida; a alternância
destes biocidas mina a resistência dos microorganismos. Tal alternância deve ser empregada
também no método de tratamento por dosagens de choque descontínuas.
Os biocidas devem ser aplicados conjuntamente com os dispersantes, pois estes
auxiliam no controle de depósitos e facilitam o acesso dos biocidas às superfícies do sistema.
7.3 - Compostos biocidas geralmente usados
Os microbicidas principais, usados no combate a bactérias, fungos e algas são baseados
em sais quaternários de amônio, compostos organo-sulfurosos, compostos organo-estanosos,
policlorofenatos, organotiocianatos, cloro, pentaclorofenatos e aminas complexas.
28
7.3.1 - Cloro
O cloro e os hipocloritos são muito usados em sistemas de água. Residuais entre 0,5 e
1,0 ppm são necessários para se ter um controle. Todavia, muitas bactérias não podem ser
controladas e os fungos não são bem controlados. Além disso, o cloro só e recomendável em
sistemas que operam num pH abaixo de 7,8 para evitar a delignificação da madeira da torre.
Altas dosagens de cloro não controladas podem provocar corrosão metálica em
sistemas operando a pH abaixo de 6,0.
7.3.2 - Compostos de amônio quaternário e aminas complexas
São compostos catiônicos tenso-ativos estáveis nas faixas de pH usadas em sistemas de
resfriamento. São usados no controle de bactérias, algas e fungos.
7.3.3 - Compostos Organo-sulfurosos
São usados para eliminar o limo microbiológico e são muito efetivos no combate à
bactérias. Combinados com os clorofenatos, possuem maior eficiência no combate a fungos.
7.3.4 - Compostos Organo-estanosos
Algumas formulações são altamente ativas no combate a bactérias, fungos e algas.
Geralmente, procura-se uma formulação sinérgica solúvel, constituída de amônios
quaternários e aminas complexas de maior espectro no combate a microorganismos.
7.4 - Observações
7.4.1 - Apesar do tratamento com biocidas, é freqüente o aparecimento de algas e fungos na
câmara plenum de torres de resfriamento, quer estas sejam de madeira ou de cimento. Isto
ocorre por 2 motivos:
1) existem condições ambientais ideais (temperatura morna e atmosfera de vapor d’água) para
o desenvolvimento destes microorganismos (aeróbicos).
2) por não ser a câmara plenum nem os eliminadores de arraste banhados pela água da torre,
os agentes biocidas adicionados na água não surtem efeito nestes locais.
Para contornar este problema, impregna-se nestes locais, substâncias pouco solúveis
em água (usualmente compostos a base de pentaclorofenol dissolvido em óleo creosoto), pela
pulverização a intervalos de alguns meses e nos períodos pré-operacional e pós-partida da
torre.
7.4.2 - Além dos tratamentos ácidos convencionais de águas de resfriamento, existem
também tratamentos alcalinos. Contudo, o tratamento alcalino é mais complexo (mais difícil
de ser controlado) por uma série de inconvenientes:
* O potencial de incrustação em sistemas alcalinos é muito maior do que em sistemas ácidos;
* Os depósitos freqüentemente são mais difíceis de serem evitados e mais difíceis de serem
removidos;
29
* Os índices de corrosão em sistemas alcalinos a base de não cromatos, embora ainda
satisfatórios, não são tão baixos como em ácidos à base de cromatos;
Um tratamento alcalino exige um controle muito mais rigoroso de todas as variáveis do
sistema e interrupções no tratamento, mesmo por curto espaço de tempo, podem ocasionar
serias incrustações, o que implicaria em aplicações de ácido para a remoção do depósito, para
que o controle pudesse novamente ser restabelecido.
7.4.3 - 0 custo de um tratamento de água de refrigeração é muito menor que os prejuízos
decorrentes de uma parada forçada de uma unidade industrial para limpeza, por exemplo de
um condensador completamente incrustado por falta de um tratamento adequado da água.
7.4.4 - É imprescindível um controle adequado da dosagem e limites recomendados de
produtos químicos adicionados a um sistema, bem como, o acompanhamento nas inspeções
ocasionais dos equipamentos, por parte do técnico da empresa tratadora de água, para ter
certeza da melhor conservação e performance de um sistema.
7.4.5 - Cabe a cada empresa que queira realizar um tratamento de água, a escolha do
tratamento mais compatível às suas necessidades, tendo em vista os custos e a eficiência dos
tratamentos, problemas do meio ambiente e os custos do tratamento dos despejos industriais.
8 - Programa de tratamento e dosagem de prod. químicos
8.1 - Introdução
Cada sistema de resfriamento em particular, merece um estudo pormenorizado de suas
características físicas e operacionais, que aliado à qualidade da água de reposição permite
precisar o melhor tratamento a ser usado.
8.2 - Pré-tratamento da água
Inicialmente, procede-se a um pré-tratamento da água de reposição visando a obter
uma água de melhor qualidade. Os processos tradicionais são a sedimentação e o
abrandamento com cal, a quente ou frio, conforme as necessidades.
8.3 - Sistema fechado de recirculação (água de máquinas)
* água de reposição de boa qualidade (clarificada e filtrada);
* tratamento a base de cromato ou fosfato.
8.4 - Sistema semi-aberto de recirculação
* tratamento a base de cromato, fosfato ou produtos orgânicos;
* uso de dispersantes;
* biocidas (controle microbiológico);
* correção do pH;
* método de acompanhamento.
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Uma das maiores dificuldades do tratamento de água de sistemas de resfriamento
abertos, deve-se à capacidade de filtração da torre de contaminantes existentes no ar (poeiras,
materiais particulados, gases dissolvidos), podendo acarretar transtornos imprevistos.
8.5 - Dosagem de produtos químicos
8.5.1 - Sistemas Semi-Abertos
Quando se realiza o tratamento químico da água de um sistema de resfriamento deve-se
levar em conta que as perdas de produto que ocorrem são devidas às perdas de água por
arraste e descargas.
Logo, a dosagem de produtos será dada por:
( )
Q
Px A D
=
+
1000
onde:
Q = quantidade de produtos (kg/h)
P = concentração do produto (ppm)
A = arraste (m3/h)
D = descargas (m3/h)
8.5.2 - Sistemas fechados
a) Dosagem inicial para tratamento do sistema:
Q
PxV
=
1000
b) Dosagem para água de reposição:
Q
PxR
=
1000
onde:
Q = quantidade de produtos (kg/h)
P = concentração do produto (ppm)
V = volume total do sistema (m3)
R = reposição de água (m3)
VIII - PRÉ-TRATAMENTO DE ÁGUA DE SISTEMAS DE RESFRIAMENTO
1. Finalidade
Assegurar a máxima vida útil de um equipamento de troca térmica.
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Todo equipamento novo deve ser limpo para remover graxa., óleo, produtos decorrosão, sujeiras e incrustações grosseiras antes de entrar em operação.
O pré-tratamento consiste de um programa de duas etapas.
* pré-limpeza
* pré-filme
2. Pré-Limpeza
* remove os acúmulos de materiais estranhos passíveis de reduzir a transferência de calor e
restringir o fluxo;
* proporciona uma proteção contra a corrosão;
* prepara as superfícies da torre, deixando-as limpas para a segunda etapa (pré-filme)
Uma limpeza inadequada das superfícies pode aumentar a corrosão e incrustação
acarretando:
* perda de transferência de calor;
* aumento da perda de carga;
* paradas prematuras e altos custos de manutenção.
Método de limpeza
A pré-limpeza é feita normalmente com uma solução de polifosfatos, dispersantes e
anti-espumantes, que circula na torre mantida nas seguintes condições:
* temperatura em 60 ± 10 ºC (faixa ideal)
* pH entre 5,5 e 7,0
* limpeza variável entre 8 e 24 horas
* concentração de polifosfato é mantida entre 1 e 4%
Após completada a limpeza, o sistema deve ser descarregado rápida e completamente,
para remover os agentes químicos de limpeza.
Outras medidas e precauções se tornam necessárias, conforme as características físicas
e materiais de construção da torre nova.
3. Pré-Filme
Objetivo: permitir a formação rápida de um filme impermeável, de modo a impedir a
reação de corrosão imediatamente. Uma vez estabelecido este filme, níveis mais baixos de
tratamento contínuo manterão o filme intacto e evitarão o acúmulo de produtos de corrosão.
O pré-filme minimiza a corrosão inicial que ocorre no início de operação do sistema e
permite uma aplicação mais eficiente do programa de inibidores de corrosão. Fatores
econômicos, limites de descarga e tempo disponível ditam se o pré-filme é aplicado no sistema
inteiro, ou se em trocadores individuais.
O pré-filme de um sistema de resfriamento é recomendado nas seguintes circunstâncias:
* para todos os equipamentos novos
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* sempre que a torre sofra lavagem ácida
* sempre que baixos pH's sejam encontrados
* sempre que houver queda de rendimento no processo
Sempre que mudanças sérias no ambiente causam uma destruição do filme, produtos de
corrosão podem se acumular nas superfícies metálicas, antes que a deposição do filme seja
restabelecida pelas baixas dosagens de tratamento. Nestas condições, dosagens maiores devem
ser aplicadas e um controle normal deve ser restabelecido, para que o filme inibidor possa
passivar rapidamente o sistema novamente.
Método de aplicação
O programa mais eficiente para a formação do pré-filme inibidor, se utiliza de
cromatos, fosfatos e zinco. Normalmente, estes materiais são aplicados nas seguintes
dosagens:
* cromato ... 50 a 300 ppm
* fosfato ... 400 a 600 ppm
* zinco ... 50 a 100 ppm
Estes materiais permitem a formação de um filme protetor de óxido de zinco, ferro e
cromatos, fosfatos de ferro, cálcio e zinco.
Estes materiais circulam na água da torre nas seguintes condições:
* temperatura entre 48 e 60 ºC
* pH entre 6 e 7
* tempo de circulação de 4 a 8 horas
Após a formação do filme, o sistema deve ser descarregado até que níveis normais de
inibidores sejam alcançados.
IX - MÉTODOS DE LIMPEZA DE SISTEMAS INDUSTRIAIS DE AGUA DE
RESFRIAMENTO
1. Finalidade
Evitar o acúmulo de depósitos que possam afetar a produtividade e a eficiência de um
processo industrial.
Depósitos usuais nos sistemas:
* incrustações de dureza e lamas (carbonates, silicatos, sulfatos e fosfatos);
* óxidos metálicos provenientes de corrosão;
* detritos vindos da água (lama, barro, areia, argila);
* depósitos microbiológicos;
* compostos orgânicos e inorgânicos procedentes do ar
2. Escolha do Método de Limpeza
Deve estar em concordância com o programa de tratamento de água de resfriamento.
33
3. Programas de limpeza
* para sistemas novos antes do inicio de funcionamento;
* para sistemas em operação.
4. Vantagens de uma limpeza bem realizada
* maior rendimento nos processes
* custos operacionais mais baixos
* maiores ciclos de produção
* menor consumo de energia
* aumento de vida útil do equipamento
* menor tempo perdido para manutenção programada
5. Métodos de limpeza
5.1 - Físicos
5.1.1 - Lavagem com ar
Através da injeção de jatos de ar num trocador de calor, por exemplo visando perturbar
o fluxo normal de água e desprender depósitos isolantes. Tal método pode ser empregado
com o sistema em operação.
5.1.2 -.Lavagem com água
É feita pela passagem de água limpa pelo sistema, para retirar os detritos mais
grosseiros. Não retira depósitos duros e aderentes. Tal método geralmente é empregado entre
uma lavagem ácida e alcalina intercaladas.
5.1.3 - Contralavagem com Água
É feita através da reversão do fluxo de água num sistema; a turbulência ocasionada
pelo fluxo contra os depósitos retira os menos aderentes.
5.1.4 - Jateamento com Areia
É um processo usado na eliminação de incrustações leves, mas só pode ser usado na
limpeza do lado dos tubos. Apesar disto, é um método de baixo custo e eficiente.
Geralmente, é empregado juntamente com contralavagem e/ou jatos de ar.
Os métodos físicos de limpeza exigem a paralisação do sistema, na grande maioria das
vezes.
A operação por esse método esta condicionada a disponibilidade dos equipamentos e
da mão-de-obra necessários.
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5.2 - Químicos
Lavagem química:
* alcalina
* ácida
Vantagens: permite muitas vezes, a limpeza de sistemas em operação, o que assegura maiores
níveis de desempenho do sistema e maiores produtividades a baixos custos.
5.2.1- Lavagem alcalina:
Empregada para soltar, emulsionar e dispersar depósitos.
Produtos químicos mais usados: soda caustica, barrilha, fosfato trissódico ...
Muitos fabricantes recomendam a lavagem alcalina de sistemas novos, antes de
entrarem em operação. Usualmente, as lavagens alcalinas são alternadas com lavagens ácidas,
para se remover incrustações duras e aderentes (como as de sulfato de cálcio e silicatos).
As lavagens alcalinas também são feitas após lavagem ácida, para neutralizar a água e
desfavorecer a corrosão nos metais do sistema.
Desvantagens:
* esta lavagem não elimina de todo, problemas de depósitos graves (incrustações de dureza e
óxidos metálicos);
* muitas vezes, a lavagem tem que ser feita com o equipamento fora de operação;
* em sistemas construídos com alumínio ou aço galvanizado, devem ser tomadas precauções
especiais, devido à natureza anfótera destes metais que são atacados tanto em meio alcalino
como ácido.
5.2.2 - Lavagem ácida:
É empregada geralmente na remoção de incrustações de dureza e óxidos metálicos
provenientes de corrosão.
Ácidos mais empregados: ácido clorídrico, ácido sulfúrico, ácido sulfâmico. Estes
ácidos são eficientes na remoção de depósitos de carbonato de cálcio , sulfato de cálcio,
sulfato ferroso e óxidos metálicos.
São ineficientes, em parte, na remoção de silicatos e incrustações de sulfato de cálcio e
sulfetos de cobre e na remoção de sólidos em suspensão sedimentados, incrustações biológicas
e outros depósitos orgânicos.
Para contornar esta situação, geralmente se alterna as lavagens ácidas com as alcalinas,
que são mais eficientes neste aspecto. As lavagens ácidas e alcalinas se complementam num
programa de lavagem química.
A limpeza ácida geralmente é feita com as unidades paradas, para que o equipamento a
ser limpo seja isolado do resto do sistema. Apesar da limpeza ácida ser conduzida com
inibidores de corrosão, sempre existe alguma possibilidade de corrosão aliada a tal lavagem.
Para contornar as desvantagens de uma lavagem ácida e alcalina num programa de
lavagem química, é imprescindível a realização de um pré-tratamento químico dos
equipamentos submetidos a lavagem, para conferir a proteção necessária ao sistema e
assegurar a eficiência e durabilidade.
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X - TORRES DE REFRIGERAÇÃO COMERCIAIS
1. Introdução
São torres utilizadas principalmente na refrigeração ambiental. Estas torres englobam
sistemas de ar condicionado destinados a refrigerar escritórios e computadores,
principalmente. A água de refrigeração é