Apostila de Química Geral - Parte 02

Apostila de Química Geral - Parte 02

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POLI-UPE  Engenharia Civil

TRATAMENTO DE ÁGUA PARA CALDEIRAS

INTRODUÇÃO :

Um dos itens normalmente relacionados como responsáveis por acidentes ocorridos em caldeiras é a “Qualidade da Água Usada”. A água utilizada na produção de vapor deve ser sempre tratada em bases tecnologicamente corretas, devendo-se evitar, para essa finalidade, o emprego de águas naturais, mesmo as provenientes das redes de abastecimento.

Vamos deparar, porém, com diversos problemas. Em primeiro lugar, o industrial brasileiro deverá ser conscientizado dessa necessidade. De maneira geral, podemos informar que ele não tem pleno conhecimento dos problemas que lhe podem advir do uso de uma água sem tratamento em suas caldeiras. Não só quanto aos riscos de acidentes, que são grandes como da má eficiência operacional de uma caldeira suja, por depósitos oriundos da água impura, com consumo excessivo de combustíveis.

Em favor do industrial, vamos dizer que mesmo tendo consciência do problema, nem sempre lhe será fácil resolvê-lo. E isso, porque no Brasil, o número de engenheiros ou técnicos que conhecem o assunto a fundo é pequeno. As Escolas de Química não formam químicos especialistas no assunto.

Água para Caldeiras é uma especialização que é normalmente obtida em literatura estrangeira ou na própria indústria, em graus os mais diversos e geralmente de acordo com a necessidade, o interesse e o autodidatismo de cada um.

Há ainda o fato de que dependendo do tipo de indústria, da sua dimensão ou do que uma caldeira representa para ela, nem sempre lhe será economicamente possível manter um laboratório químico especializado para fazer o tratamento adequado da água.

Essas dificuldades, todavia não deverão ser motivo para que simplesmente se abandone o tratamento de uma água de caldeira. Ainda haverá o recurso de se confiar o seu controle a firmas idôneas, realmente especializadas no ramo.

Quando falamos em firmas idôneas é porque a complexidade do assunto exige um conhecimento profundo de todos os seus aspectos. E essa complexidade se agrava quando se opera em caldeiras que funcionam a pressões elevadas, para as quais as especificações de qualidade da água são sempre muito rígidas.

No presente trabalho, vamos mostrar alguns aspectos relacionados com a qualidade e o tratamento da água de caldeiras. E como já em nosso país, está havendo uma tendência para a instalação de elevado número de caldeiras a alta pressão, dada a sua maior eficiência, daremos maior realce à exposição de problemas a elas relacionados, procurando alertar o industrial brasileiro sobre a real importância do assunto e a atenção que ele deve merecer.Não pretendemos apresentar um trabalho completo, pois para tanto teríamos que escrever um livro, mas cremos que assim mesmo estaremos apresentando o suficiente para que se tenha idéia da já referida complexidade do assunto.

IMPUREZAS DAS ÁGUAS

A água para uso industrial deve obedecer a certas especificações, de acordo com a finalidade a que é destinada. Assim, a água que se destina à produção de vapor, deve ser isenta ou conter quantidades limitadas, de sais de cálcio, magnésio, ferro, manganês, alumínio bem como a sílica pois esses compostos provocam a formação de incrustações no interior dos tubos das caldeiras, provocando a queda do rendimento térmico e constituindo ameaça para graves acidentes.

A água sendo ótimo solvente, nunca é encontrada em estado absoluto de pureza. A própria água da chuva contêm várias impurezas que normalmente, se encontram na atmosfera. O Dióxido de carbono (CO2) existente na atmosfera e também no solo provenientes da decomposição de matéria orgânica, dissolve-se na água, que adquire um caráter ácido. Essa água, ao correr sobre o solo ou através dele, dissolve outras substâncias nele existentes, tais como, sais de cálcio, magnésio, sódio, ferro, manganês e sílica. Portanto, as características do solo determinam a qualidade da água que o atravessa.

Com relação às impurezas gasosas contidas na água de chuva, há uma diferença entre aquelas que normalmente estão presentes em zonas residenciais ou de campo e as das zonas industriais. Nas zonas residenciais ou de campo, tem-se comumente, ar (oxigênio), dióxido de carbono e amônia. Nas zonas industriais além desses gases, a água pode conter: Dióxido de Enxôfre, Trióxido de Enxôfre, Óxidos de Nitrogênio, Gás Sulfídrico, etc. Esses gases constituem o que se chama de fumos ácidos. Com relação aos cursos d’água, a sua poluição tem fontes diferentes a saber:

A – Industrial, em que normalmente são encontrados ácidos, matéria orgânica, sais, óleos e detergentes.

B – Doméstica (esgoto), que apresenta como poluentes principalmente matéria orgânica, detergentes.

C – Natural, apresentando principalmente, limo, argila, matéria orgânica oriunda da decomposição das plantas, etc.

As substâncias em suspensão na água são removidas pelos processos clássicos de floculação, clarificação e filtração. Como esses processos são sobejamente conhecidos e amplamente explicados em livros que tratam sobre tratamento de água, vamos nos ater somente às substâncias sólidas e gasosas, que normalmente são encontradas dissolvidas na água.

EFEITOS DAS SUBSTÂNCIAS SÓLIDAS E GASOSAS DISSOLVIDAS NA ÁGUA

Com relação ao ar (oxigênio), Dióxido de Carbono e Amônia, todos eles tem caráter corrosivo, sobre metais ferrosos e não ferrosos, sendo que para os metais ferrosos a amônia é exceção. A ação corrosiva desses gases sobre esses metais pode ser isolada ou em conjunto. Sobre esse assunto falaremos com maiores detalhes, quando tratarmos de água de alimentação de caldeiras.

Dentre as substâncias sólidas dissolvidas na água e que provocam incrustações, quando submetidas a aquecimento destacam-se principalmente, os sais de cálcio, magnésio, ferro, manganês, sílica, etc.

As incrustações são causadas pelo calor aplicado, que pode decompor certas substâncias dissolvidas na água, formando produtos insolúveis e aderentes ou diminuir a solubilidade de outras substâncias, provocado sua cristalização sobre a superfície do metal.

Em trabalhos a baixa pressão, uma pequena quantidade de alguns tipos de incrustações é às vezes, benéfica, agindo como barreira ao ataque corrosivo, porém, em caldeiras a pressões elevadas, tais incrustações não podem ser toleradas.

A sua condutibilidade térmica é geralmente muito baixa e, em alguns casos, uma incrustação com apenas 1 mm de espessura, pode causar um perigoso aumento na temperatura do metal dos tubos da parede de uma caldeira a alta pressão.

DUREZA DAS ÁGUAS NATURAIS

Do que foi exposto no item anterior, vamos nos ater um pouco mais ao problema dos sais de cálcio e magnésio, que são os principais constituintes causadores da dureza.

Como já foi explicado anteriormente, quando a água cai na forma de chuva, ela não só lava parcialmente a atmosfera carregada de poeiras e bactérias, mas também dissolve os gases normalmente presentes e, quando alcança o solo já se encontra saturada de oxigênio, nitrogênio e pequenas quantidades de dióxido de carbono. Essa água, misturando-se com a matéria orgânica em decomposição, presente na superfície da terra, torna-se ainda mais carregada de dióxido de carbono e outros produtos de decomposição, iniciando assim, sua viagem através das camadas do solo, para formar lençóis subterrâneos.A ação dissolvente da água sobre as rochas calcáreas, é devida ao conteúdo de dióxido de carbono.

As reações que se processam são as seguintes:

CaCO3 + CO2 + H2O  Ca(HCO3)2

Carbonato Dióxido de Água Bicarbonato

de Cálcio Carbono de Cálcio

(Insolúvel) (solúvel)

MgCO3 + CO2 + H2O  Mg(HCO3)2

Carbonato Dióxido de Água Bicarbonato de

de Magnésio Carbono Magnésio

(Insolúvel) (solúvel)

Além dos bicarbonatos oriundos das reações acima, a água também dissolve outros sais normalmente presentes no solo, e então, se tem, por exemplo, a presença de cloretos, nitratos, sulfatos de cálcio e magnésio.

A dureza da água devida a bicarbonatos é chamada dureza temporária, em carbonatos, ou alcalina, enquanto a dureza devida a outros sais de cálcio e de magnésio, tais como cloretos, sulfatos, etc chama-se dureza permanente, em não carbonatos ou não alcalina.

No caso de caldeiras a pressão elevada, da mesma maneira que impurezas como matéria orgânica, óleo, detergentes, sílica, etc, a dureza da água de reposição deve ser totalmente eliminada.

PURIFICAÇÃO DE ÁGUAS NATURAIS, PARA USO EM CALDEIRAS DE PRESSÃO ELEVADA

São dois os métodos utilizados, a saber:

DESTILAÇÃO – Na destilação, as matérias sólidas presentes na água não a acompanham, quando esta passa para o estado de vapor. Portanto, todas as substâncias sólidas dissolvidas na água são eliminadas por esse processo. No entanto os gases dissolvidos na água acompanham o vapor que está sendo produzido. Devido a isso, são colocados sistemas de expurgo de gases, com a finalidade de remover a maior parte de ar (oxigênio), dióxido de carbono, amônia.

Desde que o funcionamento de um destilador (Evaporador) seja bom, a água por ele destilada será praticamente livre de sólidos em suspensão. No entanto, nem sempre é possível manter o perfeito funcionamento dos evaporadores, desde que eles estão sujeitos aos fenômenos abaixo descritos:

ARRASTAMENTO – Esse fenômeno está associado à fervura da água, isto é, devido ao fato de que, quando as bolhas de vapor atingem a superfície da água, elas se rompem e algumas diminutas partículas de água são projetadas no espaço do vapor. Essas partículas são tão pequenas, que a velocidade do vapor pode ser suficiente para carregá-las adiante, ou seja para outras partes do sistema. Como cada uma dessas partículas contem todas as substâncias dissolvidas no todo da água, essas substâncias são adicionadas ao sistema de alimentação das caldeiras.

CARREGAMENTO – Esse termo é usualmente empregado para definir o fenômeno da expulsão do líquido no espaço do vapor, pela extremamente rápida, quase que explosiva fervura da água em superfícies de aquecimento. É uma ação espasmódica enquanto que o arrastamento, normalmente é contínuo.

ESPUMAÇÃO – Esse fenômeno ocorre quando bolhas de vapor se formam nas superfícies de aquecimento mas ao invés de se romperem normalmente, juntam-se, formando uma camada de espuma na superfície da água. Essa espuma pode preencher o espaço do vapor a uma tal extensão, que parte dele pode entrar nos tubos de vapor.

DESMINERALIZAÇÃO – Esse processo, que tende a substituir a destilação, baseia-se na capacidade que tem certas substâncias, de reter ÍONS dissociados que entram em contato com elas e ceder outros ÍONS diferentes daqueles retidos. Tais substâncias chamam-se trocadores iônicos, que são resinas sintéticas e constituem-se duas categorias a saber:

RESINAS TROCADORAS DE CÁTIONS

São substâncias que tem a capacidade de reter os cátions de sais dissolvidos, dissociados ionicamente na água substituindo-os por outros. No caso da desmineralização o cátion fornecido pelo trocador catiônico é o hidrogênio. Portanto, todos os cátions dissolvidos na água são retidos pela resina e são substituídos pelo hidrogênio. Representando a resina trocadora de cátions por R-H e supondo que a água contenha cloreto de sódio, nitrato de sódio e sulfato de magnésio, as reações que se processam são as seguintes:

R-H + NaCl  R-Na + HCl

R-H + NaNO3  R-Na + HNO3

R-H2 + MgSO4  R-Mg + H2SO4

Nota-se, portanto que quando um sal está dissociado ionicamente e entra em contato com um trocador catiônico, que fornece hidrogênio, o produto resultante é um ácido do qual o sal é derivado. No caso de carbonatos e bicarbonatos, o ácido resultante é o ácido carbônico, conforme reações abaixo:

Na2CO3 + R-H  H2CO3 + R-Na

Ca(HCO3)2 + R-H2  2H2CO3 + R-Ca

O ácido carbônico é uma dissolução de dióxido de carbono em água.

H2CO3  H2O + CO2

O dióxido de carbono pode ser eliminado da água, quase que totalmente, pela passagem de ar e esse fato é aproveitado no processo de desmineralização, fazendo a água que sai do trocador catiônico passar por uma torre (Torre de remoção de CO2), na qual é injetado ar em contra corrente. Como as resinas trocadoras de cátions possuem evidentemente, uma capacidade limitada para o fornecimento de Hidrogênio, é necessário, de tempos em tempos proceder-se a uma regeneração. Isso é feito pela passagem de uma solução de Ácido (geralmente ácido clorídrico ou sulfúrico), através da resina. Dessa maneira, todos os cátions que foram retidos pela resina (cálcio, magnésio, sódio, etc.) entram em solução e são substituídos por ÍONS de hidrogênio. As reações que se processam, são as seguintes:

R-Na + HCl  R-H + NaCl

R-Ca + 2HCl  R-H2 + CaCl2

R-Mg + 2HCl  R-H2 + MgCl2

RESINAS TROCADORAS DE ANIONS

São substâncias que têm a capacidade de reter ânions de sais dissolvidos e dissociados ionicamente na água, substituindo-os por outros. No caso da desmineralização da água, esta passa primeiramente pela resina trocadora de cátions, onde todos os sais dissolvidos têm seus cátions retidos. Então, como já vimos, seus anions, em combinação com o hidrogênio formam os ácidos correspondentes. A água contendo esses ácidos é enviada para a resina trocadora de anions e as reações que se processam são as seguintes:

R-OH + HCl  R-Cl + H2O

R-(OH)2 + H2SO4  R-SO4 + 2H2O

R-(OH)2 + H2SiO3 R-SiO3 + 2H2O

As resinas trocadoras de anions também precisam ser regeneradas de tempos em tempos, o que é feito pela passagem de uma solução pela resina. Sulfatos, cloretos, sílica e outros anions entram em solução e são substituídos por ÍONS de hidroxila. As reações que se processam são as seguintes:

R-Cl + NaOH  R-OH + NaCl

R-SO4 + 2NaOH  R-(OH)2 + Na2SO4

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