Torre Caldeira Tratamento Agua

TRATAMENTO DE GUA DE RESFRIAMENTO

Patrocnio:

www.corona.ind.br Elaborado por: Eng. Joubert Trovati

PREFCIO

Este guia foi elaborado com o objetivo de informar o leitor sobre as caractersticas e algumas tcnicas de tratamento de guas de resfriamento. Infelizmente, no Brasil, ainda no dispomos de literatura suficiente sobre o assunto e tampouco este tema abordado nas universidades e cursos tcnicos, sendo que muitas das informaes so transmitidas pelas empresas especializadas na rea. Assim, fez-se uma coletnea na bibliografia disponvel, associada experincia prtica e intensos estudos e pesquisas realizados sobre o tema, apresentados aqui nesta modesta apostila. Esperamos que o contedo seja til e sirva de guia para soluo de vrios problemas, alm de aumentar o conhecimento cientfico do estimado leitor. Ficaramos imensamente agradecidos com a colaborao do leitor e, dentro da lei que protege o direito autoral e a propriedade intelectual, evitasse a cpia ou distribuio desse material sem consentimento expresso do autor. Tambm agradeceramos se o leitor contribusse com sugestes, fotos, estudos de casos, novidades e tambm com qualquer correo ou mal entendimento que tenha ocorrido durante a redao deste trabalho. Com isso, esperamos aprimor-lo e torn-lo cada vez mais completo. Muito obrigado e um forte abrao! O autor Araraquara-SP, setembro de 2004.

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SUMRIO1 - CONCEITOS GERAIS .................................................................................. 6 1.1 - Sistema Aberto de Resfriamento ......................................................... 6 1.2 - Sistemas Semi-Abertos (ou Abertos de Recirculao) ............................. 7 1.3 - Sistemas Fechados (Closed-Systems)................................................ 7 2 - EQUIPAMENTOS E PRINCPIOS DE FUNCIONAMENTO............................... 9 2.1 - Processos que Exigem Operaes de Resfriamento ................................ 9 2.2 - Torres de Resfriamento: Tipos, Tiragem e Arranjos de Escoamento ........ 10 2.3 - Mecanismo de Transferncia de Calor em um Sistema de Resfriamento de gua ............................................................................. 14 3 - BALANOS DE MASSA EM SISTEMAS DE RESFRIAMENTO CICLOS DE CONCENTRAO .......................................................................................... 16 4 - NDICES DE ESTABILIDADE DA GUA TENDNCIA CORROSIVA E INCRUSTANTE .............................................................................................. 21 4.1 - ndice de Saturao de Langelier....................................................... 21 4.2 - ndice de Estabilidade de Ryznar ....................................................... 23 5 - FINALIDADE DO TRATAMENTO DA GUA DE RESFRIAMENTO FUNDAMENTOS TERICOS ........................................................................... 25 5.1 - Incrustaes Origens e Conseqncias ............................................ 26 5.2 - Corroso - Fundamentos, Causas e Conseqncias .............................. 30 5.2.1 Tipos de Corroso ............................................................. 32 5.2.1.1 Pittings (ou pites): ...................................................... 32 5.2.1.2 Corroso Galvnica ........................................................ 35 5.2.1.3 Corroso Sob Fissura ou Cavidades (Crevice Corrosion) .... 37 5.2.1.4 Corroso por Tenso Fraturante (Stress Corrosion Cracking) .................................................................................. 38 5.2.1.5 Esfoliao ou Separao da Liga (Dealloying) .................. 39 5.2.1.6 Corroso Intergranular ................................................... 40 5.2.1.7 Abraso (Erosion Corrosion)....................................... 40 5.3 - Desenvolvimento Microbiolgico Consideraes Gerais ....................... 42 5.3.1 5.3.1.1 5.3.1.2 5.3.1.3 5.3.1.4 5.3.1.5 5.3.1.6 5.3.1.7 Fatores que Influenciam no Crescimento Microbiolgico .......... 49 Presena de Nutrientes................................................... 49 pH............................................................................... 49 Temperatura ................................................................. 50 Luz solar ...................................................................... 51 Oxignio Dissolvido........................................................ 51 Material em Suspenso Turbidez ................................... 51 Velocidade do Escoamento da gua.................................. 52


6 - TRATAMENTO QUMICO DA GUA DE RESFRIAMENTO ............................ 52 6.1 - Preveno das Incrustaes............................................................. 52 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.2.1 6.2.2 Floculante ........................................................................ 52 Mecanismo Dispersante...................................................... 53 Outros Mtodos de Preveno das Incrustaes ..................... 57 Tratamentos de Superfcie .................................................. 59 Inibidores de Corroso ....................................................... 59

6.2 - Combate Corroso ....................................................................... 58

6.2.2.1 Inibidores Andicos........................................................ 60 6.2.2.2 Inibidores Catdicos....................................................... 62 6.2.2.3 Inibidores Andicos e Catdicos Simultneos ..................... 64 6.2.2.4 Fatores que Influenciam a Eficincia dos Inibidores de Corroso ............................................................................... 66 6.2.3 Outros Mtodos de Controle da Corroso .............................. 67 6.3 - Controle do Desenvolvimento Microbiolgico (slime) ......................... 67 6.3.1 Biocidas Oxidantes ............................................................ 68 6.3.1.1 Cloro e Seus Compostos ................................................. 68 6.3.1.2 Compostos de Bromo ..................................................... 72 6.3.1.3 Perxidos ..................................................................... 72 6.3.1.4 Oznio ......................................................................... 73 6.3.2 Biocidas No-Oxidantes...................................................... 73 6.3.2.1 Quaternrios de Amnio e Aminas Complexas.................... 73 6.3.2.2 Carbamatos .................................................................. 74 6.3.2.3 Organotiocianatos.......................................................... 75 6.3.2.4 Compostos Organo-Estanosos ......................................... 75 6.3.2.5 Clorofenatos e Bromofenatos........................................... 75 6.3.2.6 Glutaraldedo ................................................................ 76 6.3.2.7 Bromo-Nitro Derivados ................................................... 76 6.3.2.8 Isotiazolonas................................................................. 76 6.3.2.9 Poliquaternrios ............................................................ 77 6.3.2.10 Terbutilazina ............................................................... 77 6.3.2.11 Biguanidas.................................................................. 78 6.3.2.12 THPS Sulfato de Tetrakis-Hidroximetil-Fosfnio ............. 78 6.3.3 Biodispersantes................................................................. 79 6.3.4 Outros Mtodos de Controle do Desenvolvimento Microbiolgico ............................................................................... 80 7 - MONITORAMENTO E CONTROLE DO TRATAMENTO .................................. 80 7.1 - Controle Fsico-Qumico................................................................... 81 7.2 - Taxas de Corroso e Deposio / Incrustao..................................... 82 7.2.1 7.2.2 Mtodo dos Cupons de Prova .............................................. 82 Sonda Corrosomtrica........................................................ 86


7.2.3 -

Instalao de Trocador de Calor Piloto.................................. 86

7.3 - Mtodos de determinao e monitoramento do desenvolvimento microbiolgico................................................................ 87 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 Contagem Microbiolgica na gua........................................ 87 ndice de Aderncia de Biofilme........................................... 87 Medida do Material Suspenso .............................................. 88 Anlises de DQO, DBO e Carbono Orgnico Total ................... 89

7.4 - Avaliao Global e Visual do Tratamento............................................ 89


1-

CONCEITOS GERAIS

A gua largamente utilizada em vrios processos como agente de resfriamento. Alm de sua abundncia em nosso planeta, a gua apresenta um calor especfico1 relativamente elevado, tornando-a prpria para as operaes de resfriamento. Basicamente, os sistemas de resfriamento a gua so classificados em trs tipos:

1.1 - SISTEMA ABERTO DE RESFRIAMENTO

Tambm chamado de sistema de uma s passagem (once-through), empregado quando existe uma disponibilidade de gua suficientemente alta com qualidade e temperatura satisfatrias para as necessidades do processo. A gua captada de sua fonte, circula pelo processo de resfriamento e descartada ao final, com uma temperatura mais alta. Neste tipo de sistema, no h como proceder a um tratamento qumico conveniente da gua, uma vez que volumes muito altos esto envolvidos. Alm disso, este processo tem o inconveniente de gerar a chamada poluio trmica, que pode comprometer a qualidade do curso de gua onde despejada. Emprega-se este sistema em locais prximos a fontes abundantes e/ ou pouco onerosas de gua, bem como em instalaes mveis, tais como plataformas de petrleo, navios, submarinos, etc.

1

Calor Especfico (c) uma propriedade termodinmica que indica a quantidade de calor necessria para se elevar, em um incremento, a temperatura de uma massa unitria de um corpo. Normalmente dada em Kcal/g.C . ______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 6

1.2 - SISTEMAS SEMI-ABERTOS (OU ABERTOS DE RECIRCULAO)

Um sistema semi-aberto (Open Recirculating System) utilizado quando existe uma demanda elevada e disponibilidade limitada de gua, principalmente em locais onde a qualidade da mesma est comprometida. Aps passar pelos equipamentos de troca trmica que devem ser resfriados, a gua ento aquecida circula atravs de uma instalao de resfriamento (torre, lagoa, spray, etc.) para reduzir sua temperatura e tornar-se prpria para o reuso. Este sistema apresenta um custo inicial elevado, porm resolve o problema de eventual escassez de gua, possibilita menor volume de captao e evita o transtorno da poluio trmica. Tambm pode ser submetido a um tratamento qumico adequado, capaz de manter o sistema em condies operacionais satisfatrias e, com isto, pode-se reduzir os custos operacionais do processo. Alguns exemplos deste sistema so as diversas disposies de torres de resfriamento, condensadores evaporativos e spray-ponds (reservatrios onde a gua a ser resfriada pulverizada e resfriada naturalmente pelo prprio ar que a circunda).

1.3 - SISTEMAS FECHADOS (CLOSED-SYSTEMS)

Este arranjo geralmente aplicado em processos nos quais a gua deve ser mantida em temperaturas menores ou maiores do que as conseguidas pelos sistemas semi-abertos; tambm empregado em instalaes pequenas e mveis. Neste sistema, a gua (ou outro meio) resfriado em um trocador de calor e no entra em contato com o fluido de resfriamento. Alguns exemplos que utilizam este sistema so: circuitos fechados para resfriamento de compressores, turbinas a gs, instalaes de gua gelada, radiadores de motores a combusto interna (automveis, caminhes, tratores, mquinas estacionrias) e algumas instalaes de ar condicionado e refrigerao. Na Figura 01 so mostrados estes trs tipos de sistemas de resfriamento:______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 7

FIGURA 01:

ILUSTRAO MOSTRANDO OS SISTEMAS DE RESFRIAMENTO: A) ABERTO; B) FECHADO; C) SEMI-ABERTO OU ABERTO DE RECIRCULAO

Nota: Muitas vezes, os termos Resfriamento e Refrigerao so empregados como sinnimos. Para evitar confuso, empregaremos a palavra Resfriamento para indicar uma reduo de temperatura, em qualquer intervalo que seja, e a palavra Refrigerao para indicar, especificamente, a reduo de temperatura a valores abaixo de 0 C (273 K).______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 8

2-

EQUIPAMENTOS E PRINCPIOS DE FUNCIONAMENTO

Nesta seo trataremos, sobretudo, dos equipamentos e funcionamento dos sistemas abertos de recirculao, que so os mais utilizados e os que exigem maiores cuidados no tratamento de gua. Faremos, no entanto, uma breve meno sobre tratamento dos sistemas de uma s passagem e sistemas fechados ao longo do captulo.

2.1 - PROCESSOS QUE EXIGEM OPERAES DE RESFRIAMENTO

Uma infinidade de processos industriais necessita de remoo de calor utilizando a gua como meio de resfriamento, dentre os quais podemos citar: Operaes siderrgicas, metalrgicas, fundies, usinagens, resfriamento de fornos, moldes, formas, etc. Resfriamento de reatores qumicos, bioqumicos e nucleares. Condensao de vapores em operaes de destilao e evaporadores, colunas baromtricas, descargas de turbinas de instalaes termeltricas e nucleares, etc. Resfriamento de compressores e gases frigorficos em circuitos de refrigerao (condensadores evaporativos), incluindo operaes de ar condicionado e de frio alimentar. Arrefecimento de mancais, peas, partes mveis, lubrificantes, rotores e inmeras mquinas e equipamentos. Resfriamento dos mais variados fluidos (lquidos e gases) em trocadores de calor, entre muitas outras aplicaes.


2.2 - TORRES DE RESFRIAMENTO: TIPOS, TIRAGEM E ARRANJOS DE ESCOAMENTO

Existem

vrios

modelos

e

disposies

diferentes

de

torres

e

sistemas

de

resfriamento de gua, cada qual com suas aplicaes mais usuais e respectivas vantagens e desvantagens. Abaixo est esquematizado um modelo clssico de torre de resfriamento, mostrando seus principais componentes. Na pgina a seguir (Quadro 01) encontra-se um esquema resumido destes sistemas, com suas caractersticas operacionais. Nas figuras subseqentes, so mostradas algumas fotografias de equipamentos e instalaes para resfriamento de gua.

FIGURA 02:

MODELO CLSSICO DE TORRE DE RESFRIAMENTO DE GUA, DE TIRAGEM INDUZIDA E FLUXO CONTRACORRENTE. (A) PERSPECTIVA. (B) CORTE A-A MOSTRANDO OS INTERNOS DO EQUIPAMENTO

QUADRO 01: DISPOSIES, ESQUEMAS EMPREGADOS E PRINCIPAIS CARACTERSTICAS DOS SISTEMAS DE RESFRIAMENTO.______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 10


FIGURA 03:

TORRES DE RESFRIAMENTO DE GUA DIVERSAS.


FIGURA 04:

SISTEMA DE RESFRIAMENTO DO TIPO SPRAY-POND.

FIGURA 05:

TORRES DE RESFRIAMENTO DE TIRAGEM NATURAL, INSTALADAS EM UMA CENTRAL NUCLEAR.


FIGURA 06:

CONDENSADOR EVAPORATIVO

2.3 - MECANISMO DE TRANSFERNCIA DE CALOR EM UM SISTEMA DE RESFRIAMENTO DE GUA

O

resfriamento

da

gua

em

uma

torre

ou

equipamento

similar

ocorre

fundamentalmente atravs de dois processos: Transferncia de calor sensvel (por conveco), devido ao contato com o ar a uma temperatura mais baixa. Normalmente, este fenmeno responsvel por cerca de apenas 20% do calor transferido. Transferncia de calor latente por evaporao de certa quantidade de gua, devido menor concentrao desta no ar circundante (umidade); responsvel por aproximadamente 80% da transferncia global de calor da operao. Assim, ocorre um fenmeno de transferncia simultnea de calor e de massa neste processo, ou seja, h uma diferena de concentrao entre a gua (fase lquida) e a gua______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 14

presente no ar (fase vapor umidade do ar); isto proporciona uma fora motriz que faz com que a gua (lquido) tenha uma tendncia a equilibrar a concentrao com a fase gasosa (umidade do ar). Para a gua passar para a fase vapor, ela necessita de energia, que obtida na forma de calor da gua que permanece na fase lquida, resultando no resfriamento desta ltima. Assim, quanto mais seco estiver o ar, maior ser a fora motriz e a tendncia da gua evaporar, resultando em maior quantidade de calor removido e conseqentemente, menor temperatura da gua resfriada. Na figura 07 est ilustrado este processo. Pelo fato dos dois mecanismos de transferncia serem fortemente dependentes da rea de troca, os sistemas de resfriamento so projetados de modo a propiciar uma grande rea superficial de contato da gua com o ar, conseguida atravs de bicos para pulverizao / distribuio e recheios (colmias) para otimizar o contato.

FIGURA 07:

ESQUEMA MOSTRANDO A EVAPORAO DE GUA E REMOO DE CALOR EM UM SISTEMA DE RESFRIAMENTO. NO EXEMPLO, T1>T2 E UMIDADE RELATIVA DO AR (R) < 100%.

A temperatura mnima obtida num sistema de resfriamento a gua pode at ser menor que a temperatura ambiente, dependendo da umidade relativa do ar e da eficincia do equipamento. No entanto, existe um valor mnimo na qual a temperatura deste______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 15

processo pode chegar, que a chamada Temperatura de Bulbo mido. Esta, por sua vez, determinada colocando-se um pedao de algodo umedecido (ou gaze, ou flanela) em volta do bulbo de um termmetro (ou outro instrumento de medida), fazendo-se passar pelo mesmo o ar a uma certa velocidade; a gua evapora e retira calor da gua que ficou no algodo, provocando o abaixamento da temperatura. A diferena entre a temperatura da gua resfriada e a temperatura de bulbo mido chamada de Approach e pode, inclusive, ser usada para avaliar a eficincia de um sistema de resfriamento: quanto mais prxima do bulbo mido estiver a temperatura da gua resfriada, maior ser a eficincia da instalao. De modo geral, valores de Approach maiores que 10 C indicam operao deficiente no sistema de resfriamento (subdimensionamento, obstrues ou canais preferenciais nos recheios, bicos entupidos / danificados, baixa velocidade do ar, etc.), embora alguns autores e tcnicos adotem limites mximos de Approach de 6 C.

3-

BALANOS DE MASSA EM SISTEMAS DE RESFRIAMENTO CICLOS DE CONCENTRAO

Com a evaporao da gua no sistema de resfriamento, h a necessidade de reposio da mesma; alm disso, a evaporao causa aumento na concentrao de sais dissolvidos e, por isso, deve-se proceder com um regime adequado de descargas a fim de evitar uma concentrao excessiva dos mesmos. Ao entrarem em contato com o fluxo de ar, pequenas gotculas de gua so arrastadas pelo mesmo e tambm causam perda de gua do sistema. Finalmente, existem outras perdas indeterminadas de lquido, tais como vazamentos, outros usos, etc.


Esquematicamente, um sistema de resfriamento pode ser representado pela seguinte ilustrao:

FIGURA 08:

FLUXOS DE MATERIAL (GUA) EM UM SISTEMA DE RESFRIAMENTO.

Para este sistema genrico, considerando regime estacionrio e sem acmulo de material, o desenvolvimento do balao de massa para a gua resulta em:

SAI = ENTRA(1)

R +F=E+A+D+I


Considerando que as perdas indeterminadas e outras fontes de alimentao sejam nulas (F = 0 e I = 0):

R=E+A+D

(2)

Como dito anteriormente, a gua concentrada na torre. Assim, a quantidade de vezes que a mesma concentrada chamada de CICLO DE CONCENTRAO (CC). Considerando que durante a evaporao somente gua pura esteja saindo do sistema, o Ciclo de Concentrao definido como:

CC =

E + A+ D R = A+ D A+ D

CC =

E +1 A+ D

(3)

De acordo com a equao (3), verificamos que com o aumento da evaporao da gua (E), maior o Ciclo de Concentrao do sistema. Por outro lado, com o aumento das descargas (D), percebemos uma diminuio nos ciclos. Assim, as descargas so utilizadas para manter a gua de resfriamento em nveis aceitveis de concentrao de sais. Rearranjando as equaes, podemos finalmente calcular a quantidade de gua a ser reposta (R):

R= E

CC CC 1

(4)

A evaporao de gua correspondente a 10C de resfriamento obtido equivalente cerca de 1,7 % da vazo de recirculao; em outras palavras, cada 5,8C de resfriamento conseguido na gua representa a evaporao de, aproximadamente, 1% da vazo de recirculao (estimativa genrica). Valores mais precisos desta estimativa so obtidos com balanos de energia em conjunto com os de massa. Para o clculo do arraste, deve-se levar em considerao o tipo de tiragem existente no sistema (posio do ventilador, quando existente); o arraste assumido com uma______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 18

porcentagem da vazo de recirculao e, normalmente, empregam-se os seguintes valores empricos:TABELA 01:ESTIMATIVAS DE ARRASTES EM GUA DE RESFRIAMENTO, EXPRESSOS COMO PORCENTAGEM DA VAZO DE RECIRCULAO, PARA CADA TIPO DE EQUIPAMENTO.

EQUIPAMENTO Tiragem Induzida Tiragem Forada Tiragem Natural Spray-pond Condensador Evaporativo

Arraste (%) Valor mdio 0,2 0,2 0,5 2,5 0,2

Arraste (%) Faixa Usual 0,1 0,3 0,1 0,3 0,3 1,0 1,0 5,0 0,1 0,2

Lembramos

que,

para

estes

clculos,

no

foram

consideradas

as

perdas

indeterminadas (vazamentos, drenos abertos, etc.) e nem outras fontes de reposio de gua, tais como guas condensadas de colunas baromtricas, condensadores de contato, etc. Caso existam, todas estas variveis devem ser computadas. No clculo de dosagem de produtos qumicos para condicionamento da gua, convm lembrar que somente as perdas por arraste e descarga propiciam a perda de produtos. Assim, uma frmula genrica para estimar a dosagem de determinado produto na gua de resfriamento :

w=Onde:

C ( A + D) CR = CC 1000 1000

(5)

w = Quantidade de Produtos (Kg/ h) C = Concentrao desejada de produto (ppm) A = Perdas por Arrastes (m3/h) D = Descargas (m3/h) R = Reposio (m3/h) CC = Ciclos de Concentrao______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 19

Na maioria das vezes, difcil de obter os ciclos de concentrao de um sistema atravs da medio e clculo das vazes de reposio, descarga, arrastes e evaporao. Assim, para um sistema de resfriamento, os ciclos so estimados atravs das respectivas relaes de concentrao de slica, clcio e/ou magnsio entre a gua do sistema e a gua de reposio. Matematicamente:

CC =

Si SIS Si REP

CC =

Ca SIS Ca REP

CC =

Mg SIS Mg REP

(6)

Estes clculos devem ser usados somente quando se h certeza que nenhuma das espcies (slica, clcio e magnsio) esteja se precipitando ou, caso incrustados, no podem estar se dissolvendo. Alguns autores e manuais recomendam a utilizao de cloretos (Cl-) para clculo dos ciclos de concentrao. No entanto, este parmetro muitas vezes no confivel para sistemas de resfriamento, pois o mesmo pode facilmente sofrer contaminaes de cloretos do meio externo (inclusive pelo ar), principalmente em cidades litorneas; alm disso, muitos produtos adicionados ao meio (biocidas, derivados clorados, inibidores de disperso e incrustao, etc) contm este on em soluo. Os nveis de Slidos Totais Dissolvidos (STD) tambm podem ser usados para se estimar os ciclos, mas tambm sofrem interferncias tais como no caso dos cloretos. Em virtude da gua se concentrar em um sistema de resfriamento, necessrio que a gua de reposio (tambm chamada de make-up) apresente uma boa qualidade, ou seja, possua baixas concentraes de sais e material orgnico, bem como baixos nveis de materiais suspensos e microrganismos.


4-

NDICES

DE

ESTABILIDADE

DA

GUA

TENDNCIA

CORROSIVA E INCRUSTANTE

A gua, como sabemos, tem uma tendncia a dissolver outras substncias. Quanto mais pura a gua, maior a tendncia solubilizante da mesma; por outro lado, quando a gua apresenta concentraes elevadas de sais, maior a tendncia destes se precipitarem. Por outro lado, a solubilidade das substncias normalmente presentes na gua (sais, em sua maioria) tambm dependente da temperatura, do pH, das espcies qumicas envolvidas, entre outros fatores.

4.1 - NDICE DE SATURAO DE LANGELIER

Uma tentativa de se quantificar a tendncia solubilizante (ou corrosiva) e incrustante da gua foi feita inicialmente por Langelier (1936) que, utilizando-se de um sistema gua / carbonato de clcio (CaCO3), props a seguinte equao (vlida para pH entre 6,5 e 9,5):

pH S = ( pK 2 pK S ) + pCa + pAlc

(7)

Nesta equao, pHs indica o pH de saturao, ou seja, o pH no qual uma gua com uma dada concentrao de clcio e alcalinidade est em equilbrio com o carbonato de clcio. K2 e KS representam, respectivamente, a segunda constante de dissociao e o produto de solubilidade do CaCO3 (estes valores so funo da temperatura e podem ser obtidos de constantes termodinmicas conhecidas). Finalmente, pCa e pAlk so os logaritmos negativos da concentrao de clcio (em mol/l) e da alcalinidade total (titulados como eq-g/l).


O ndice de Saturao de Langelier pode ento ser definido como:

ndice de Saturao = pH pHs (Langelier )negativos indicam tendncia de dissoluo de CaCO3.

(8)

Onde valores positivos deste ndice indicam tendncia de deposio e valores O ndice de Saturao apenas qualitativo e, como o prprio Langelier enfatizou, apenas um meio de indicao da tendncia e da fora motriz do processo (corrosivo ou incrustante) e no , de modo algum, um mtodo de mensurar esta tendncia. Os valores de pHs podem ser obtidos graficamente atravs de cartas, tais como a exemplificada no diagrama a seguir:

FIGURA 09:

2

DIAGRAMA MOSTRANDO OS PASSOS PARA OBTENO DO VALOR DE pHS. NO EXEMPLO: DUREZA CLCIO = 240 mg/L; ALCALINIDADE TOTAL = 200 PPM; TEMPERATURA = 70F; pH DE SATURAO (pHS) = 7,3.

Extrada de: KEMMER, F.N. (ed).: THE NALCO WATER HANDBOOK. 2 ed. Nalco Chemical Company. New York, Mc. Graw Hill. 1988. ______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 22

2

4.2 - NDICE DE ESTABILIDADE DE RYZNAR

Na tentativa de se expandir a utilidade do ndice de Saturao de Langelier, bem como obter um mtodo quantitativo confivel para medir a caracterstica incrustante/ corrosiva da gua, J. W. Ryznar props a utilizao do ndice de Estabilidade:

ndice de Estabilidade = 2 pHS pH ( Ryznar )

(9)

Utilizando-se este ndice, uma gua sem tratamento torna-se incrustante em valores abaixo de 6,0 e comea a apresentar caractersticas corrosivas com valores de ndice de Ryznar acima de 7,0. Na figura 10, so exemplificadas diversas guas com respectivos ndices de Estabilidade. Vrios outros ndices foram propostos por diversos autores com este intuito (Larson e Buswell, Stiff e Davis, entre outros) e podem ser encontrados na literatura especializada.


FIGURA 10:

CORRELAES DE RESULTADOS PRTICOS DE DIVERSAS GUAS COM OS VALORES CALCULADOS DO NDICE DE ESTABILIDADE DE RYZNAR.


5-

FINALIDADE DO TRATAMENTO DA GUA DE RESFRIAMENTO FUNDAMENTOS TERICOS

O tratamento da gua de resfriamento pode ser feito com o emprego de diversas tcnicas e mtodos, sejam eles qumicos, fsicos ou uma combinao de ambos. A escolha do melhor mtodo deve se basear na sua eficincia e, evidentemente, no seu custo fixo e operacional. Deve-se, tambm, levar em considerao os efeitos ambientais e respectiva legislao de controle. Fundamentalmente, os objetivos do tratamento da gua de resfriamento so: Evitar a formao de incrustaes Minimizar os processos corrosivos Controlar o desenvolvimento microbiolgico Muitas vezes, a soluo completa ou eliminao destes problemas torna-se tecnicamente difcil ou invivel do ponto de vista financeiro. Assim, o tratamento pode ter por objetivo minimizar as conseqncias do problema, possibilitando a convivncia com o mesmo e otimizando a relao custo/ benefcio do processo. Nas pginas seguintes, forneceremos maiores detalhes sobre cada um dos problemas relacionados.


5.1 - INCRUSTAES ORIGENS E CONSEQNCIAS

A gua encontrada na natureza nunca pura, apresentando uma vasta gama de substncias dissolvidas. Muitas destas substncias so sais, xidos e hidrxidos e apresentam solubilidades diferentes, sendo influenciadas basicamente pela temperatura, concentrao e pH. Com a evaporao da gua em um sistema de resfriamento, h um aumento na concentrao das substncias dissolvidas que, muitas vezes, podem se precipitar de forma aderente nas superfcies dos equipamentos (principalmente nas regies de troca trmica), constituindo as incrustaes. Outras substncias tambm podem se incrustar indesejavelmente nesses sistemas, tais como: material orgnico (leos, graxas, resduos), lodo e acmulo de material microbiolgico, produtos de corroso, slidos em suspenso (argila, etc.), bem como produtos insolveis originados de reaes qumicas na gua (incluindo excesso de produtos para condicionamento qumico). As conseqncias da presena de incrustaes em circuitos de resfriamento so: Diminuio das taxas de troca de calor nos trocadores, devido baixa condutividade trmica das incrustaes. Obstruo e at destruio do enchimento (colmias) de torres de resfriamento. Obstruo (parcial ou total) de tubulaes e acessrios, restringindo a rea de fluxo e, conseqentemente, limitando a vazo. Entupimento de bicos e dispositivos distribuidores de gua nas torres de resfriamento, promovendo a ocorrncia de canais preferenciais de escoamento e diminuindo a eficincia do equipamento. Aumento dos processos corrosivos que ocorrem sob os depsitos (reas sujeitas a diferenciais de aerao). As substncias formadoras de incrustaes (sais em sua maioria), ao terem seus limites de solubilidade ultrapassados, iniciam uma precipitao sob a forma de pequenos cristais. Estes, por sua vez, apresentam uma estrutura molecular bem ordenada e podem se aderir fortemente s superfcies metlicas dos equipamentos. Uma vez formado o cristal, ocorre um rpido desenvolvimento do mesmo, atravs da agregao de novas molculas, resultando em incrustaes com tamanhos cada vez maiores. Para a remoo______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 26

de incrustaes j consolidadas despende-se um grande esforo, muitas vezes atravs de limpezas qumicas (normalmente com solues de cidos apropriados, devidamente inibidos) ou limpezas mecnicas de grande intensidade, tais como hidrojateamento a altas presses, marteletes, chicotes rotatrios, impactos diretos com ferramentas (marreta e talhadeira, ponteiros), etc. Os principais responsveis pela formao de incrustaes inorgnicas em sistemas de resfriamento so: Sais de clcio e magnsio (dureza), principalmente o carbonato de clcio (CaCO3) e o sulfato de clcio (CaSO4). Dependendo do controle do tratamento, fosfato de clcio (Ca3(PO4)2) pode tambm se formar. A ocorrncia de hidrxido de magnsio tambm comum. Slica solvel (SiO2) e silicatos (SiO32-) de vrios ctions. A slica solvel oriunda da dissoluo de parte da prpria areia e rochas com as quais a gua mantm contato. xidos de ferro de outros metais, tais como o Fe2O3, originado principalmente de processos corrosivos. Tanto o carbonato como o sulfato de clcio apresentam solubilidades que decrescem com o aumento da temperatura (o sulfato de clcio, particularmente, tem sua solubilidade aumentada com a temperatura at cerca de 40C; a partir da, sua solubilidade diminui consideravelmente). Assim, os mesmos tendem a se incrustar nas superfcies aquecidas de trocadores de calor ou em pontos onde a gua encontra-se com temperatura mais elevada. Alm disso, cristais formados no seio da soluo podem se depositar sobre os equipamentos, principalmente em locais de baixa circulao de gua. Estes cristais iniciam, ento, o desenvolvimento de uma incrustao aderida no local.

Costuma-se fazer uma distino entre os termos depsito e incrustao normalmente empregados: Depsitos: So acmulos de materiais sobre determinada superfcie que podem ser removidos manualmente com facilidade. Normalmente aparecem em locais com baixa velocidade de circulao de gua ou nas extremidades______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 27

inferiores dos equipamentos. Embora menos aderidos que as incrustaes, os depsitos tambm prejudicam a troca trmica e o escoamento da gua. Geralmente, materiais orgnicos resultantes do desenvolvimento microbiolgico e material em suspenso formam depsitos nas superfcies. Incrustaes: Caracterizam-se por um acmulo de material fortemente aderido sobre uma superfcie, necessitando de esforos considerveis para sua remoo (limpezas mecnicas ou qumicas). Normalmente, as incrustaes so formadas por precipitao de sais e/ou xidos na forma cristalina, o que geram incrustaes altamente coesas e aderidas. Nas figuras a seguir so mostrados alguns casos de incrustaes em equipamentos e sistemas de resfriamento a gua.

FIGURA 11:

INCRUSTAES DE CARBONATO DE CLCIO FORMADAS NO LADO GUA: (ESQ.): EM UM CONDENSADOR. (DIR.): EM UM TROCADOR DE CALOR COM TUBOS DE COBRE.


FIGURA 12:

(ESQ.): TUBOS INCRUSTADOS DE UM CONDENSADOR EVAPORATIVO. MESMO EQUIPAMENTO APS, LIMPEZA QUMICA.

(DIR.): TUBOS DO

FIGURA 13:

RESFRIADOR DE LEO DE UM COMPRESSOR QUE SOFREU PROCESSO INTENSO DE DEPOSIO/ INCRUSTAO PELA GUA DE RESFRIAMENTO. ______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 29

5.2 - CORROSO - FUNDAMENTOS, CAUSAS E CONSEQNCIAS

Corroso pode ser definida como a destruio da estrutura de um metal atravs de reaes qumicas e/ ou eletroqumicas com o ambiente em que o mesmo se encontra. Podemos dizer que a corroso uma forma natural dos metais voltarem ao estado original em que eram encontrados na natureza, tais como nos minrios (xidos); isto ocorre porque, nesta forma, os metais apresentam-se da maneira mais estvel possvel do ponto de vista energtico. Seria como o exemplo de uma bola no alto de uma montanha: a bola tenderia a descer pela mesma, at atingir um estado de energia (potencial gravitacional, no caso) mais baixo possvel. As srias conseqncias dos processos de corroso tm se tornado um problema de mbito mundial, principalmente em relao aos aspectos econmicos. Nos EUA, por exemplo, a corroso gera prejuzos da ordem de US$ 300 bilhes3 por ano (dados de 1995). Infelizmente, no Brasil, no dispomos de dados precisos sobre os prejuzos causados pela corroso, mas acreditamos serem consideravelmente elevados4. Como exemplo, podemos citar o caso da Petrobrs, a qual perde um navio petroleiro a cada cinco anos, devido aos processos corrosivos5. Basicamente, a corroso envolve reaes de xido-reduo, ou seja, troca de eltrons. um processo eletroqumico no qual o nodo (espcie onde ocorre oxidao perda de eltrons) que consumido est separado por uma certa distncia do ctodo, onde ocorre reduo (ganho de eltrons). O fenmeno ocorre devido existncia de uma diferena de potencial eltrico entre estes dois locais. Vamos tomar como exemplo uma superfcie de ao qualquer, imersa na gua, em um sistema de resfriamento. Esta gua apresenta algumas caractersticas que favorecem a corroso: tem boa condutividade eltrica (devido presena de slidos dissolvidos), pH prximo ao neutro e presena de alto teor de oxignio dissolvido. Assim, o mecanismo proposto para o processo :

Fonte: ROBERGE, P. R.: HANDBOOK OF CORROSION ENGINEERING. New York, Mc. Graw Hill, 1999. 4 Informaes detalhadas sobre corroso podem ser encontradas em: ABRACO - ASSOCIAO BRASILEIRA DE CORROSO: www.abraco.org.br NACE NATIONAL ASSOCIATION OF CORROSION ENGINEERS: www.nace.org 5 Informao verbal ______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 30

3

1. Na regio andica, tomos de ferro (Fe0) passam para a gua, aumentando seu estado de oxidao para Fe2+. 2. Como resultado da formao do Fe2+, dois eltrons migram atravs do metal para a rea catdica. 3. O oxignio, presente na gua, move-se para a rea catdica e ingressa no circuito, usando os eltrons que migraram para o ctodo e formando ons hidroxila (OH-) na superfcie do metal. 4. Os ons OH- deslocam-se atravs do lquido para a regio andica, onde reagem com os ons Fe2+ formando hidrxido ferroso, Fe(OH)2, que se precipita. Esta etapa completa o ciclo bsico do processo. 5. O hidrxido ferroso formado instvel e, na presena de oxignio e/ ou ons hidroxila, forma-se hidrxido frrico Fe(OH)3. 6. O hidrxido frrico, por sua vez, tende a se decompor em Fe2O3, que o xido frrico, popularmente conhecido como ferrugem. Quimicamente, as reaes envolvidas so: 1, 2) 3) 4) 5) 6) Fe0 Fe2+

Fe2+ + 2e-

(nodo) 2(OH)-

O2 + H2O + 2e + 2(OH)-

(ctodo)

Fe(OH)2 2Fe(OH)3

2Fe(OH)2 + O2 + H2O 2Fe(OH)3 Fe2O3 . 3H2O

Em valores baixos de pH (at em torno de 4,0) ou em locais em que h ausncia de oxignio (tais como sob os depsitos), a reao catdica predominante que ocorre com o on hidroxnio: 3) 2H+ + 2eH2 (ctodo, pH baixo, sem O2)


Na figura a seguir, est ilustrado o processo aqui descrito.

FIGURA 14:

REPRESENTAO DE UMA CLULA DE CORROSO CLSSICA.

5.2.1 - Tipos de CorrosoO processo de corroso apresenta-se sob diversas formas e mecanismos, agindo sobre uma infinidade de metais. Genericamente, a corroso pode ser encontrada em duas formas: corroso uniforme ou localizada. Esta ltima, devido ao seu alto poder de penetrao e maior dificuldade de deteco e controle, a mais perigosa e indesejada. Muitos autores e livros tcnicos possuem formas diferentes de classificao dos mecanismos de corroso. Alm disso, muitos dos mecanismos so interdependentes, o que dificulta sua classificao. A seguir, apontamos alguns tipos de corroso encontrados em sistemas de resfriamento6:

5.2.1.1

Pittings (ou pites):

Trata-se de um dos tipos de corroso mais destrutivos. localizada, puntiforme e tem grande capacidade de penetrao, devido principalmente grande diferena de rea

6

Os mecanismos de corroso apresentados tambm so encontrados em outros sistemas alm dos circuitos de resfriamento. ______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 32

entre as diminutas regies andicas (onde o pitting ocorre) e catdicas. Normalmente, os pittings aparecem em reas com diferenas de potencial bem ntidas (tais como ocorre sob depsitos ou incrustaes), em pontos de descontinuidade de filmes de proteo, em zonas de elevadas concentraes localizadas de certos ons (tais como os cloretos), entre outros. Um caso particular da ocorrncia de pittings em aos inoxidveis observado em certas regies onde h depsitos e/ ou submetidas a tenses e esforos, expostas ambientes com certa concentrao de ons cloretos. A resistncia corroso apresentada pelo ao inox deve-se a uma fina pelcula protetora de xidos (principalmente Cr2O3), existente sobre a superfcie metlica. Qualquer deformao ou esforo realizado sobre o metal (operaes de corte, soldagem, dobramento, etc), bem como formao de algum depsito (incluindo os de origem microbiolgica), pode ocasionar o rompimento desta pelcula, expondo o metal base e gerando neste local uma rea andica (positivamente carregada). Os ons cloretos (Cl-), que apresentam elevada mobilidade, so atrados devido diferena de cargas e acumulam-se nestes locais, formando cloreto ferroso (FeCl2). Este se decompe em hidrxido ferroso (Fe(OH)2) e em cido clordrico, diminuindo o pH do meio e aumentando o processo corrosivo. Aps a penetrao no metal, as reas circunvizinhas ao pitting so passivadas pela camada de xido, o que concentra ainda mais a rea andica e favorece o aprofundamento do pitting. Na figura 15 est representado este processo. Alguns autores afirmam que a prpria concentrao elevada de ons cloretos sobre o ao inox, em determinadas condies, podem induzir a falhas na pelcula protetora e posterior formao dos pites, sem que haja necessidade de grandes esforos no metal. Assim, como regra geral, costuma-se limitar a concentrao de cloretos em guas de resfriamento em valores abaixo de 200 ppm; lembramos que, em determinados locais, pode haver concentraes localizadas deste on muito superiores s encontradas no seio da gua.


FIGURA 15:

ESQUEMA DA FORMAO DE PITTING EM AO INOXIDVEL7.

Nas figuras a seguir, so apresentadas algumas fotografias mostrando ocorrncia de pittings.

FIGURA 16:

FOTOGRAFIA DO CORTE TRANSVERSAL DE UM TUBO DE AO CARBONO, MOSTRANDO A PENETRAO ATINGIDA PELOS PITTINGS8.

7 8

Fonte: SUZUKI, T. (ed.): KURITA HANDBOOK OF WATER TREATMENT. 2 Ed. Tokyo. Kurita Water Industries Ltd. 1999. Fonte: HERRO, H.M.; PORT, R.D.: THE NALCO GUIDE TO COOLING WATER SYSTEM FAILURE ANALYSIS. Nalco Chemical Company. New York. Mc. Graw Hill. 1993. ______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 34

FIGURA 17:

VASILHAME DE AO INOX, QUE CONTEVE UM BIOCIDA CLORADO DURANTE CERCA DE 3 DIAS. OBSERVE AS PERFURAES EXISTENTES NA REGIO DO NVEL DA SOLUO (SETA). ESTUDOS MOSTRAM QUE A TAXA DE PENETRAO DOS PITTINGS NESTE CASO FOI DE, APROXIMADAMENTE, 11 CM POR ANO9.

5.2.1.2

Corroso Galvnica

Este tipo de corroso ocorre, basicamente, quando dois ou mais metais com diferena significativa de potenciais de oxidao esto ligados ou imersos em um eletrlito (tal como a gua com sais dissolvidos). Um metal chamado de menos nobre, tem uma tendncia a perder eltrons para um metal mais nobre, cuja tendncia de perda menor. Assim, o metal menos nobre torna-se um nodo e corrodo. Este fenmeno tambm depende da rea entre as regies andicas e catdicas, isto , quanto menor for a rea do nodo em relao ao ctodo, mais rpida a corroso daquele. Um exemplo disso ocorre entre o cobre (mais nobre) e o ao carbono, menos nobre e que tem a sua taxa de corroso acelerada. No Quadro 02, a seguir, encontra-se representada uma srie galvnica de diferentes metais e ligas onde se pode visualizar a maior tendncia corroso (reas andicas) ou menor tendncia (rea catdica).

9

Idem Ibidem. ______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 35

QUADRO 02: SRIE GALVNICA DE DIVERSOS METAIS E LIGAS10.REGIO ANDICA (Menos Nobre) Extremidade Corroda

REGIO CATDICA (Mais Nobre) Extremidade Protegida

Magnsio Ligas de Magnsio Zinco Alumnio 2S Cdmio Alumnio 17 ST Ao Carbono e Ferro Ferro Fundido Ferro Cromo (ativo) 18/8 Cr-Ni-Fe (Inox 304-Ativo) 18/8/3 Cr-Ni-Mo-Fe (Inox 316-Ativo) Hastelloy C Chumbo Estanho (soldas) Chumbo Estanho Nquel (Ativo) Inconel (Ativo) Hastelloy A Hastelloy B Lato Cobre Bronze Cobre Nquel (ligas) Titnio Monel Prata (soldas) Nquel (Passivo) Inconel (Passivo) Ferro-Cromo (Passivo) 18/8 Cr-Ni-Fe (Inox 304-Passivo) 18/8/3 Cr-Ni-Mo-Fe (Inox 316-Passivo) Prata Grafite

10

Traduzido de Nickel Company Inc., apud: MAGUIRE, J. J. (ed.): BETZ HANDBOOK OF INDUSTRIAL WATER CONDITIONING. 18 Ed. Trevose-PA. Betz Laboratories Inc. 1980. ______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 36

MAIOR TENDNCIA CORROSO

Para minimizar a

ocorrncia

de corroso galvnica, recomenda-se evitar a

construo de equipamentos utilizando metais ou ligas com potenciais de oxidao muito diferentes e evitar o contato eltrico direto entre os metais, colocando materiais isolantes entre os mesmos (plstico, borracha, etc).

5.2.1.3

Corroso Sob Fissura ou Cavidades (Crevice Corrosion)

um tipo de corroso localizada e intensa, ocorrendo em reas isoladas do ambiente, tais como fendas, rachaduras, embaixo de depsitos, rebites, etc. Neste tipo de corroso, a gua no interior da fissura ou depsito torna-se extremamente concentrada em ons, alm de ter seu pH reduzido significativamente, tal como ocorre dentro dos pittings. Pelo fato dos mecanismos de corroso serem idnticos, as condies que promovem a corroso sob fissura tambm provocam pittings, e vice-versa (vide Figura 15). Este tipo de corroso muito encontrado em soldas, principalmente quando mal feitas; neste caso, o processo acelerado pela ocorrncia de corroso galvnica entre a solda e o metal base e pela existncia de tenses e esforos na regio (vide item seguinte). O melhor meio de se controlar este tipo de corroso , justamente, evitar a ocorrncia de fendas, depsitos, rachaduras e zonas estagnadas, onde h pouco contato com a gua do sistema. Na figura seguinte mostrado um pedao de metal onde, propositalmente, formaram-se cavidades que promoveram este tipo de corroso.


FIGURA 18:

PEA PLSTICA COLOCADA EM CONTATO COM AO INOX, MOSTRANDO A CORROSO ACENTUADA EMBAIXO DAS REAS DE CONTATO11.

5.2.1.4

Corroso Cracking)

por

Tenso

Fraturante

(Stress

Corrosion

um tipo de corroso causada pela existncia de tenses no metal e um ambiente propenso corroso. Freqentemente, h fraturas e quebras do metal nessa regio. As ligas metlicas mais suscetveis a este fenmeno so os aos inoxidveis (srie 300) e lato; nos primeiros, a presena de ons cloretos a principal contribuinte pela ocorrncia do processo. J no caso dos lates (ligas de cobre e zinco), a corroso sob tenso ocorre principalmente quando h concentrao razovel de ons amnio (NH4+), que tendem a reagir com cobre, formando ons complexos; na figura 19 est ilustrado um caso deste tipo. Muitas vezes, a corroso por tenso e possveis fraturas surgem como conseqncias de processos de pittings e/ou de corroso sob depsito/ fissuras, ou podem, por sua vez, levar ao incio de formao destes processos. Para se prevenir este tipo de processo corrosivo, recomenda-se evitar esforos demasiados nas peas metlicas (principalmente inox e outras ligas) e, aps a execuo de qualquer operao onde isso ocorra, proceder com tratamento adequado para aliviar as11

Extrado de: HERRO, H.M.; PORT, R.D.: THE NALCO GUIDE TO COOLING WATER SYSTEM FAILURE ANALYSIS. Nalco Chemical Co. New York. Mc. Graw Hill. 1993. ______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 38

tenses e promover o surgimento da pelcula protetora sobre o metal. Tambm se recomenda evitar a incompatibilidade qumica de alguns metais com certos ons (tais como cobre e substncias amoniacais).

FIGURA 19:

TUBO DE LATO QUE SOFREU PROCESSO DE CORROSO POR TENSO FRATURANTE, APS ENTRAR EM CONTATO COM AMNIA12.

5.2.1.5

Esfoliao ou Separao da Liga (Dealloying)

Este processo ocorre quando um ou mais componentes de uma liga metlica so seletivamente removidos do metal. Um exemplo disso encontrado em lates, onde o zinco removido da liga com o cobre, permanecendo este ltimo no metal sob uma forma esponjosa e pouco resistente (o processo chamado de dezincificao). O nquel tambm pode ser removido seletivamente de ligas com o cobre, embora raramente venha causar maiores problemas. Os fatores que mais influenciam na esfoliao so: metalurgia das ligas envolvidas, condies ambientais a que os metais esto sujeitos (processos de corroso j existentes, depsitos, fissuras, etc) e caractersticas fsico-qumicas da gua do processo (pH, condutividade, concentrao de cloretos e outros sais, gases dissolvidos, entre outras).

12

Id. Ibid. ______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 39

FIGURA 20:

DEZINCIFICAO OCORRIDA NO TRECHO HORIZONTAL INTERNO DE UM COTOVELO DE LATO FUNDIDO13.

5.2.1.6

Corroso Intergranular

um tipo de ataque que aparece nas imediaes dos gros do metal, em nvel molecular. Geralmente aparece em locais que foram submetidos a elevadas temperaturas ou grandes esforos, havendo falhas na estrutura cristalina do metal (remoo de um dos componentes, ocluso, etc.). Normalmente este tipo de corroso no significativo em sistemas de resfriamento.

5.2.1.7

Abraso (Erosion Corrosion)

Apesar de no se tratar de um processo estritamente eletroqumico, a abraso , freqentemente, a causa principal de falhas em sistemas e instalaes de gua de resfriamento; alm disso, aumenta a incidncia e intensidade dos processos corrosivos citados.

13


Este fenmeno ocorre quando a superfcie do metal submetida a uma fora aplicada pelos slidos suspensos, bolhas de gases ou pelo prprio fluxo de lquido, que muitas vezes suficientemente intenso para arrancar a camada de xido protetor existente sobre a superfcie dos metais envolvidos. Um caso comum observado em metais mais moles (lato, cobre, alumnio e respectivas ligas), com o aparecimento de sinais semelhantes a ferraduras de cavalo, conforme apontado na figura 21. A cavitao, por exemplo, pode ser classificada neste tipo de ocorrncia, agindo principalmente em rotores de bombas ou acessrios de tubulao onde h uma diminuio sbita da presso, causando uma vaporizao local do lquido; as diminutas bolhas produzidas, ao se chocarem com o metal, so responsveis por sua deteriorao.

FIGURA 21:

ESQ.: FOTOGRAFIA AMPLIADA (12X) DA SUPERFCIE DE UM PEDAO DE LATO SUBMETIDO ABRASO (OBSERVE OS SIANAIS EM FORMA DE FERRADURA). DIR.: ROTOR SEMI-ABERTO (AO CARBONO) DE BOMBA CENTRFUGA QUE SOFREU INTENSO PROCESSO DE CAVITAO14.

14


5.3 - DESENVOLVIMENTO MICROBIOLGICO CONSIDERAES GERAIS

A gua o habitat natural de milhares de seres vivos, desde microrganismos unicelulares at animais superiores. Com o aprimoramento das atividades humanas e o uso generalizado da gua nestas atividades, deparamo-nos com um problema muito difcil de ser resolvido, principalmente porque vai de encontro prpria natureza: o desenvolvimento de organismos na gua que usamos e todas as conseqncias que este fato pode gerar. Em circuitos de resfriamento, isto no diferente. O crescimento exagerado principalmente de algas, bactrias e fungos sem dvida um dos grandes problemas encontrados nestes sistemas. Os prejuzos de ordem tcnica e econmica so significativos e, algumas vezes, catastrficos. Os principais inconvenientes causados pelo excesso de crescimento microbiolgico em guas de resfriamento so: Formao de depsitos sobre superfcies de troca trmica (trocadores de calor, serpentinas, etc.) diminuindo as taxas de transferncia de calor. Obstruo e entupimento de tubos, bicos aspersores, vlvulas, equipamentos, acessrios, entre outros, podendo diminuir a eficincia do processo, restringir a vazo, entre outros. Formao de lodo no fundo das bacias, decks e canais de distribuio, criando muitas vezes condies propcias para o surgimento de novas espcies de microrganismos. Obstruo e crescimento exagerado em recheios e colmias de torres, diminuindo a eficincia no resfriamento de gua e, em casos extremos, podendo at causar ruptura e desmoronamento do recheio. Excesso de material orgnico na gua promove formao de espuma, causando maiores inconvenientes. As substncias mucilaginosas (glicoclice) excretadas por alguns seres podem combinar-se com material inorgnico (sais, produtos de corroso) e formar incrustaes aderentes nos equipamentos e tubulaes.


Os depsitos de microrganismos sobre as superfcies metlicas aumentam a incidncia de processos corrosivos, favorecendo as reaes que os constituem. Algumas classes de microrganismos so causadores diretos de corroso, tais como as bactrias redutoras de sulfato (SRBs) e formadoras de cidos. Decomposio de estruturas de madeira (torres antigas), provocada principalmente por algumas espcies de fungos; a ocorrncia de cogumelos saprfitos conhecidos popularmente como orelha de pau no rara nestas instalaes.

O crescimento descontrolado de seres vivos em guas de resfriamento tambm provoca aumento da demanda qumica e bioqumica de oxignio (DQO e DBO), podendo causar complicaes para o tratamento de efluentes (se existente) quando forem feitas descargas de gua no sistema.

Muitas vezes, o acmulo de material orgnico na gua de resfriamento pode gerar mau cheiro no local, tornando-se bastante desagradvel principalmente em locais prximos aglomerao de pessoas (tais como supermercados, shopping centers, etc.).

Algumas classes especialmente patognicas de microrganismos desenvolvem-se com muita facilidade em guas de resfriamento. Um exemplo so as bactrias do gnero Legionella, causadoras de uma grave enfermidade chamada popularmente de Doena do Legionrio. Cada classe de microrganismo apresenta peculiaridades em sua morfologia e

fisiologia, gerando inclusive diferentes problemas. No quadro a seguir so relacionados os principais tipos de microrganismos e alguns detalhes sobre os mesmos.

QUADRO 03: CLASSIFICAO, CARACTERSTICAS E PRINCIPAIS PROBLEMAS GERADOS POR MICRORGANISMOS EM SISTEMAS DE RESFRIAMENTO.



Os microrganismos que se desenvolvem na gua de sistemas de resfriamento so divididos em dois tipos: Planctnicos: Ficam dispersos no lquido e movimentam-se junto com ele, sem tendncia a se depositarem ou aderirem a superfcies. Ssseis: So os que causam maiores problemas nos sistemas de resfriamento, pois se desenvolvem aderidos sobre as superfcies dos equipamentos e tubulaes, formando uma camada chamada biofilme (slime do ingls). Nas figuras a seguir, ilustramos algumas ocorrncias de desenvolvimento

microbiolgico e suas conseqncias em sistemas de resfriamento:

FIGURA 22:

CRESCIMENTO EXAGERADO DE ALGAS RESFRIAMENTO, EXPOSTA LUZ SOLAR.

NO

FUNDO

DA

BACIA

DE

UMA

TORRE

DE


FIGURA 23:

CRESCIMENTO EXAGERADO DE ORGANISMOS EM UM RECHEIO DE TORRE DE RESFRIAMENTO.

FIGURA 24:

TROCADOR DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS (CONDENSADOR, LADO GUA) MOSTRANDO MATERIAL ORGNICO PROVENIENTE DE DESENVOLVIMENTO MICROBIOLGICO, DEPOSITADO NO INTERIOR DOS TUBOS. ______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 46

FIGURA 25:

EM CIMA: ENCHIMENTO DE TORRE DE RESFRIAMENTO (CANALETA EM U INVERTIDO PERFURADA), MOSTRANDO O DESENVOLVIMENTO DE BIOFILME. COMPARAR COM A CANALETA LIMPA (ABAIXO). ______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 47

FIGURA 26:

SEPARADOR DE ARRASTE (VENEZIANAS) DE UMA TORRE DE RESFRIAMENTO DE FLUXO CRUZADO, MOSTRANDO OCORRNCIA DE ARRASTE PROVENIENTE DO EXCESSO DE MATERIAL ORGNICO NA GUA.

FIGURA 27:

TUBOS DE AO INOX QUE SOFREU PROCESSO DE CORROSO POR BACTRIAS REDUTORAS DE SULFATO (GNERO DESSULFOVIBRIO). OS DEPSITOS DE COR NEGRA SO COMPOSTOS POR SULFETO DE FERRO, PRODUTO DA CORROSO.


5.3.1 - Fatores que Influenciam no Crescimento MicrobiolgicoMuitos fatores fsicos e qumicos contribuem para a formao de condies propcias para desenvolvimento microbiolgico. A capacidade dos seres vivos de se adaptarem a condies ambientais adversas faz com que certos organismos sobrevivam at em condies extremamente inspitas, tais como altas temperaturas (superiores a 100C), presses elevadas (da ordem de centenas de atmosferas), pH excessivamente cidos ou alcalinos, concentraes elevadas de sais, etc. No entanto, as condies encontradas na maioria dos sistemas de resfriamento so amenas, o que propicia o desenvolvimento microbiolgico de vrias classes de organismos. Colocadas todas estas peculiaridades, os fatores mais influentes neste processo so:

5.3.1.1

Presena de Nutrientes

bastante evidente que um ser vivo se desenvolva com maior facilidade quando encontra fontes abundantes de materiais necessrios para sua subsistncia e reproduo. Assim, a presena de inmeros nutrientes, orgnicos e inorgnicos, pode favorecer o crescimento microbiolgico, tais como: acares, aminocidos e protenas, amnia, gorduras e/ou cidos graxos, fosfatos, nitratos, sulfatos, potssio, sdio, vrios outros ons e uma infinidade de outras substncias. Isto posto, o sucesso do controle do desenvolvimento microbiolgico na gua de resfriamento tambm depende da eliminao e ou anulao das fontes e possveis contaminaes desses nutrientes.

5.3.1.2

pH

A maioria das espcies de bactrias existentes tende a crescer em valores de pH neutros e ligeiramente alcalinos, enquanto que os fungos normalmente crescem em pH ligeiramente cido. Como o pH da gua dos sistemas de resfriamento so mantidos normalmente entre 6,5 e 8,5 , h um favorecimento no crescimento dessas duas classes de seres, alm de algas.


5.3.1.3

Temperatura

A temperatura , sem dvida, um fator de grande influncia para o desenvolvimento de qualquer ser vivo. Normalmente, a maioria dos organismos sobrevive adequadamente em temperaturas entre 10 e 45C; porm, algumas espcies selecionadas (principalmente bactrias) sobrevivem em temperaturas abaixo de 0C ou acima de 100C. A manuteno de valores baixos de temperatura no capaz de exterminar a maioria dos microrganismos, fazendo apenas com que os mesmos no se desenvolvam e mantenham-se em estado latente, aguardando uma alterao favorvel nas condies ambientais. Por outro lado, nos processos de resfriamento, so encontrados vrios gradientes de temperaturas ao longo do circuito, o que favorece o crescimento de certas espcies de modo localizado. As bactrias, de modo geral, preferem temperaturas rdem de 35-40C (vide figura seguinte).

FIGURA 28:

INFLUNCIA DO pH E DA TEMPERATURA NO CRESCIMENTO DE BACTRIAS TOTAIS EM SISTEMAS DE RESFRIAMENTO (SUZUKI, T., 199915).

15

SUZUKI, T. (ed.): KURITA HANDBOOK OF WATER TREATMENT. 2 Ed. Tokyo. Kurita Water Industries Ltd. 1999. ______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 50

5.3.1.4

Luz solar

A incidncia de luz solar (direta ou indiretamente) contribui bastante para o desenvolvimento de organismos clorofilados (que fazem fotossntese, ou seja, obtm energia atravs de reaes qumicas envolvendo a luz solar); as representantes dessa classe de organismos so as algas, unicelulares ou pluricelulares. Certas reas dos sistemas de resfriamento so submetidas luz solar, tais como decks superiores de distribuio, bacias, etc. O impedimento da penetrao de luz solar nessas reas ajuda, e muito, no controle da infestao de algas no sistema.

5.3.1.5

Oxignio Dissolvido

Geralmente, as guas de resfriamento possuem concentraes razoveis de O2 dissolvido, o que aumenta o desenvolvimento de microrganismos aerbios (que utilizam o oxignio em seu metabolismo vital de obteno de energia). Muitos microrganismos anaerbios so intolerantes ao oxignio e acabam morrendo na presena do mesmo. No entanto, comum a existncia de reas estagnadas, tais com sob depsitos, colnias de microrganismos aerbios ou locais de pouca circulao de gua onde se criam zonas com ausncia de oxignio; assim, estas reas podem alojar microrganismos anaerbios, tais como as bactrias redutoras de sulfato (SRBs), causadoras de corroso.

5.3.1.6

Material em Suspenso Turbidez

O material em suspenso contribui para o crescimento microbiolgico de duas maneiras: ainda quando suspenso, pode servir de suporte para microrganismos unicelulares que tendem a se fixar sobre superfcies. Quando o material suspenso se deposita em locais de baixa circulao de gua (tal como no fundo das bacias ou extremidades inferiores de equipamentos), pode criar condies favorveis ao surgimento de outras espcies de organismos contaminantes, tais como bactrias anaerbias.


5.3.1.7

Velocidade do Escoamento da gua

Mecanicamente, a gua capaz de movimentar e at mesmo remover material microbiolgico depositado nos circuitos de resfriamento. No entanto, locais com baixa velocidade da gua permitem o depsito de material e/ou a adeso de biofilme. Velocidades de fluxo da ordem de 0,5 m/s ou superiores so capazes de prevenir o desenvolvimento de biofilmes significativos, enquanto que valores de 0,1 m/s so suficientes para impedir a decantao de lodo. Como regra geral, deve-se evitar ao mximo, durante o projeto do sistema, locais com baixa circulao de gua; ou ento, nesses locais, permitir uma fcil limpeza ou retirada do material sedimentado, atravs de drenos, fundos inclinados de bacias, etc.

6-

TRATAMENTO QUMICO DA GUA DE RESFRIAMENTO

Um dos mtodos mais empregados para o tratamento da gua de resfriamento atravs de insumos qumicos, que visam combater o desenvolvimento de incrustaes, crescimento microbiolgico e a ocorrncia de processos corrosivos. Existem outros mtodos, no qumicos, que tambm se propem a atingir estes objetivos, e sero comentados oportunamente.

6.1 - PREVENO DAS INCRUSTAES

Basicamente, o controle de incrustaes em sistemas de resfriamento feito atravs de dois mecanismos:

6.1.1 - FloculanteEste mtodo bastante utilizado para combater incrustaes de origem orgnica, tais como contaminaes da gua por materiais de processo (leos, hidrocarbonetos, etc.),______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 52

microrganismos Para este

e

produtos

originados

de

seu

metabolismo

(protenas,

lipdeos,

polissacardeos), lodos de maneira geral, material particulado, etc. propsito, utilizam-se normalmente polmeros (tambm chamados polieletrlitos) que aglutinam as substncias indesejadas, atravs de interaes eltricas e adsoro fsica. Com isto, forma-se um floco leve e fofo que retirado pelos sistemas de descarga e/ou atravs de um filtro colocado em paralelo ao circuito da gua do sistema (chamado side stream filter).

A escolha do polmero deve recair sobre as seguintes propriedades: Carga eltrica, relacionada com as impurezas a serem removidas (polmero catinico ou aninico e respectiva intensidade da carga). Peso molecular, responsvel pelo tamanho do floco formado e pela capacidade de adsoro dos contaminantes. Funcionalidade do polmero, ou seja, o mesmo deve possuir solubilidade em gua, manter estabilidade nas condies do sistema e possuir reatividade e interao seletiva com as espcies presentes. Normalmente, o mecanismo floculante no exerce efeito significativo na preveno de incrustaes de origem inorgnica, embora consiga reduzir, em alguns casos, a concentrao de alguns sais presentes na gua. Este mecanismo comumente utilizado em circuitos abertos de resfriamento (de uma s passagem) ou de resfriamento por asperso (spray-pond), onde a contaminao por material orgnico muitas vezes significativa.

6.1.2 - Mecanismo DispersanteEste o mecanismo mais utilizado para preveno de incrustaes de origem inorgnica, apresentando uma srie de qualidades que o tornam eficaz mesmo para sistemas que trabalham com elevadas concentraes de sais. Os princpios de ao utilizados por este tipo de tratamento so:______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 53

1. Efeito Limiar (Threshold): Tambm chamado de seqestrao, caracterizado pela reduo na tendncia de precipitao de compostos de clcio, magnsio, ferro e mangans, causando um atraso na precipitao desses sais mesmo quando o dispersante dosado em quantidades sub-estequiomtricas. Isto possvel porque o produto reage somente com a espcie qumica que est na iminncia de se precipitar, sendo assim consumido somente por uma pequena frao da espcie. As principais classes de produtos que exibem estas propriedades so os polifosfatos, fosfonatos (compostos organofosfricos vide detalhes adiante) e polmeros/ copolmeros (acrlicos, maleicos, estireno-sulfonados, carboxlicos etc.). 2. Ao dispersiva: Apresentada comumente por compostos organofosfricos e polieletrlitos, que por sua vez tendem a se adsorver sobre a superfcie de partculas em suspenso, tais como ncleos de precipitao de sais. O produto adsorvido sobre a partcula confere-lhe cargas eltricas, fazendo com que as mesmas exeram foras de repulso entre elas e, assim, permaneam dispersas. Em outras palavras, a ao dispersiva atua de modo oposto coagulao. 3. Efeito Surfactante: Normalmente empregado para agir contra material orgnico, principalmente Normalmente quando so originado que do desenvolvimento a microbiolgico das (estes particularmente so chamados biodispersantes, que facilitam a ao dos biocidas). compostos aumentam hidratao partculas, solubilizando-as e mantendo-as dispersas, sem tendncia a se depositarem. Em algumas aplicaes, os surfactantes so usados para emulsionar hidrocarbonetos para facilitar sua eliminao pelas descargas. O princpio de ao dos surfactantes semelhante ao de um detergente ou sabo: um dos extremos da molcula interage com o material orgnico, e o outro extremo solvel em gua. Normalmente, utilizam-se produtos a base de compostos etoxilados ou copolmeros de xidos de etileno-propileno combinados (EO-PO). 4. Modificao de Cristais: Sem tratamento, as incrustaes inorgnicas so formadas por retculos cristalinos que de desenvolvem de maneira bem regular, o que favorece seu crescimento aps a formao e aderncia sobre as superfcies metlicas. A______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 54

modificao de cristais age atravs da distoro dos mesmos, impedindo seu crescimento ordenado e alterando sua forma. Com isso, os cristais tendem a no se aderir sobre as superfcies e permanecem dispersos no lquido, favorecendo sua eliminao pelas descargas. Alguns produtos orgnicos naturais, tais como ligninas e taninos, foram e ainda so usados com esta finalidade; ultimamente, o uso de polmeros e copolmeros sintticos especficos (poliacrilatos, maleicos, fosfinocarboxlicos, entre outros) tem se mostrado mais vantajoso. Muitas vezes, um nico produto pode apresentar duas ou mais das caractersticas mencionadas, sendo que a escolha deve levar em considerao os principais contaminantes presentes na gua, tendncia de acmulo de material orgnico e, evidentemente, o custo global do tratamento. Nas figuras a seguir, esto ilustrados alguns cristais submetidos a tratamentos com diferentes classes de dispersantes.

FIGURA 29:

CRISTAIS DE CARBONATO DE CLCIO: (A) PRECIPITADO COMO CALCITA (FORMA CRISTALINA PREDOMINANTE EM BAIXAS TEMPERATURAS). (B) PRECIPITADO COMO ARAGONITA (PREDOMINANTE EM ALTAS TEMPERATURAS). (C) DISTORO CAUSADA POR TRATAMENTO COM POLIACRILATO. (D) MUDANAS NA ESTRUTURA DO PRECIPITADO. (E) ESTRUTURA ______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 55

RESULTANTE DE TRATAMENTO COM COPOLMERO SULFONADO. PRODUZIDAS POR UMA MISTURA DE FOSFONATO E POLIACRILATO.

(F)

DISTORES

FIGURA 30:

CRISTAIS DE SULFATO DE CLCIO. ACIMA, ESQ.: SEM TRATAMENTO. ACIMA, DIR.: APS TRATAMENTO COM FOSFONATO (PBTC). ABAIXO: APS TRATAMENTO COM POLIACRILATO (ROHM AND HAAS, 1997)16

16

ROHM AND HAAS: ACUMER 1000, 1020, 1100, 1110 SCALE INHIBITORS. Technical Bulletin. Rohm and Haas Company. Philadelfia. 1997. ______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 56

6.1.3 - Outros Mtodos de Preveno das IncrustaesAlm do tratamento qumico, ou em conjunto com o mesmo, as incrustaes podem ser evitadas utilizando-se mtodos alternativos, tais como: 1. Condicionamento Magntico de Cristais: Consiste na aplicao de um campo magntico com freqncia e intensidade especficas que distorce, fisicamente, a estrutura cristalina do cristal, de modo semelhante ao que feito com produtos qumicos. Os cristais distorcidos podem ento ser removidos pelas descargas. 2. Pr-Tratamento: empregam-se Consiste aparelhos em de remover, troca antecipadamente, inica o material e/ou dissolvido e em suspenso na gua de alimentao do sistema. Normalmente (abrandadores desmineralizadores) para remoo dos sais dissolvidos. Para eliminar o material suspenso, utiliza-se uma clarificao da gua seguida por filtrao, podendo inclusive ser feita uma clorao para ajudar no controle de desenvolvimento microbiolgico. 3. Reaproveitamento de guas Condensadas: Em certos casos onde h escassez de gua ou baixa qualidade da mesma, vivel a utilizao de condensados para alimentao do sistema de resfriamento. O condensado uma gua com baixssima concentrao de sais dissolvidos, o que minimiza a formao de incrustaes. Evidentemente, o condensado deve ser resfriado temperatura mais baixa possvel antes de ser alimentado ao sistema, usando para isso trocadores de calor e torres de resfriamento especficas.


6.2 - COMBATE CORROSO

Devido aos inmeros mecanismos e formas existentes, o controle da corroso sempre uma tarefa complicada e, muitas vezes, no conseguimos eliminar completamente a ocorrncia de processos corrosivos de modo economicamente vivel. Freqentemente, o controle da corroso deve ser feito de modo a permitir a convivncia com o problema, colocando-a em nveis aceitveis. A preveno da corroso deve comear j no projeto das instalaes, atravs da escolha adequada dos metais e demais materiais constituintes do sistema17. Atualmente, dispomos de uma infinidade de materiais plsticos com vrias aplicaes e propriedades especficas, que podem (e devem) ser utilizados sempre que possvel. A utilizao de fibra de vidro tambm recomendada e vrios fabricantes de torres de resfriamento utilizam este material em seus equipamentos. Em determinadas aplicaes, o uso de metais faz-se necessrio, principalmente quando forem exigidas propriedades de resistncia mecnica e facilidade de conduo e troca de calor. Nestes casos, a combinao correta de metais e ligas de fundamental importncia para se evitar o processo de corroso galvnica, que costuma ser bastante agressivo; assim, a recomendao evitar a associao de metais com potenciais de oxidao muito distintos e, caso isto seja impossvel, deve-se evitar o contato eltrico direto entre eles, atravs de materiais isolantes. Finalmente, o alvio de tenses internas no metal (que corrige os defeitos de arranjo cristalino no gro) e o aterramento conveniente das partes metlicas (evitando acmulo de cargas eltricas no conjunto), tambm auxiliam no controle de corroso. A escolha do local da instalao do sistema tambm contribui para o controle da corroso (e tambm para a formao das incrustaes e desenvolvimento microbiolgico). Deve-se evitar instalaes prximas emisses de chamins, atmosferas potencialmente cidas, material particulado, etc. Lembramos que os sistemas de resfriamento com ventiladores fazem uma suco significativa do ar nas redondezas, fazendo com que o mesmo e todos os seus contaminantes entrem em contato com a gua.

17

Um bom guia para escolha dos materiais : TELLES, P. C. S.: MATERIAIS PARA INDSTRIA DE PROCESSOS. 6 Ed. Rio de Janeiro. Editora Intercincia. 2003. ______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 58

Por fim, a qualidade da gua de alimentao do circuito de resfriamento tambm deve ser considerada, levando-se em conta o balano das caractersticas corrosivas/ incrustantes da mesma. Para controle da corroso em sistemas de resfriamento, os mtodos usualmente empregados so:

6.2.1 - Tratamentos de SuperfcieOs metais normalmente utilizados nos sistemas de resfriamento (principalmente ao carbono, ferro e ferro fundido) podem receber tratamentos anticorrosivos em sua superfcie, que impedem que o metal entre em contato direto com o ambiente. Estes tratamentos podem ser feitos com base em processos de galvanoplastia (tais como cromao, galvanizao, niquelao, etc.) ou atravs de pinturas ou coberturas especficas (zaro, primers, fosfatizantes, tintas epxi, recobrimento com PVC, entre outras). Ao ser aplicado este tipo de tratamento, deve-se assegurar a integridade do filme de proteo formado, uma vez que qualquer descontinuidade ou falha no mesmo pode ocasionar pontos de corroso localizada.

6.2.2 - Inibidores de CorrosoSo os mtodos de controle de corroso mais empregados em sistemas de resfriamento. Seus princpios de funcionamento baseiam-se no impedimento ou diminuio nas reaes de xido-reduo que caracterizam os processos corrosivos. Assim, podemos classificar os inibidores de corroso em duas classes: inibidores andicos e inibidores catdicos, ou ainda aqueles que apresentam ambas as propriedades. Como regra geral, normalmente so empregadas combinaes de inibidores de corroso, visando controlar a corroso em todas as frentes. Estas associaes produzem um efeito sinrgico, onde as propriedades da combinao de inibidores so superiores s suas utilizaes isoladas. Como exemplo, podemos citar os inibidores a base de polifosfato e/ou fosfonato zinco, cromato-polifosfatos, orgnicos-zinco, etc.______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 59

Uma vasta discusso sobre inibidores de corroso, no somente para sistemas de resfriamento, pode ser encontrada em NATHAN18, C.C (ed.) (1973).

6.2.2.1

Inibidores Andicos

Como o prprio nome diz, estes inibidores atuam essencialmente nas reas andicas do metal, onde h fuga de eltrons e formao de tomos com estados de oxidao superiores (tais como o Fe2+). Os inibidores andicos funcionam basicamente de duas formas: 1) reagem com os ons metlicos produzidos no nodo e formam um filme de xidos combinados, isolando o metal base e impedindo o prosseguimento das reaes andicas. 2) Formam um filme adsorvido sobre a superfcie andica, impedindo o fluxo de ons e eltrons nessa regio, alm de isol-la do contato direto com o ambiente. Tendo em vista a forma como atuam, estes inibidores necessitam entrar em contato com a superfcie do metal para que sejam efetivos. Assim, em locais onde existem depsitos ou incrustaes, estes inibidores no funcionam adequadamente e pode haver corroso acelerada nos locais no protegidos. Tambm so necessrias concentraes mnimas destes inibidores na gua do sistema, de modo a garantir a proteo de toda a superfcie exposta do metal; caso sejam subdosados, tambm pode ocorrer corroso localizada. Os principais inibidores de corroso andicos so: 1. Cromatos: sem dvida o melhor e um dos mais eficientes inibidores de corroso andicos; formam uma fina pelcula passivante de xido de cromo e ferro (Cr2O3 e Fe2O3), muito aderente e duradoura. Atualmente no so mais empregados, devido sua elevada toxidez19 e agressividade flora e fauna aquticas.

18 19

NATHAN, C.C.(ed.): CORROSION INHIBITORS. Houston. NACE - National Association of Corrosion Engineers. 1973. O limite mximo tolervel de cromo em efluentes para despejo em cursos dgua de 0,5 mg/l p/ cromo hexavalente e 2,0 mg/l de cromo trivalente. Alm disso, a legislao brasileira permite uma concentrao mxima de 0,05 e 0,5 mg/l de Cr (hexa e trivalente, respectivamente) nas guas doces, salobras e salinas do territrio nacional (CONAMA, Res. N. 20 de 18/06/1986. www.mma.gov.br/port/conama/res/resol86/res2086.html. (Acesso em 12/09/2004) ______________________________________________________________________ Curso On-line Tratamento de gua ( Sistemas de Resfriamento) - Prof.: Eng. Joubert [email protected] / http://www.tratamentodeagua.com.br/curso 60

2. Ortofosfatos: Atuam atravs da formao de um filme cristalizado de ortofosfato de ferro (Fe3(PO4)2). Porm, este filme mais espesso, poroso e menos resistente que o formado pelo cromato. Em alguns casos, o uso de ortofosfatos pode aumentar a incidncia de incrustaes de clcio (fosfato de clcio) e, por isso, normalmente usado em conjunto com inibidores de incrustao polimricos. 3. Molibdatos, Tungstatos: Agem de modo semelhante ao cromato. Seu uso em sistemas abertos de resfriamento no muito difundido devido ao elevado custo. No entanto, empregado com sucesso em sistemas fechados. 4. Nitritos: Apresentam excelente efeito de inibio de corroso em ao carbono, porm no so utilizados em sistemas abertos devido toxidez e por ser facilmente decomposto em nitrato, por ao de nitrobactrias. Apesar disso, utilizado com sucesso em sistemas fechados, principalmente quando associados a inibidores catdicos tais como os boratos. 5. Lignosulfonados e Taninos: Tendem a formar um filme orgnico adsorvido sobre a superfcie do metal, protegendo-o assim da corroso. Em alguns casos, necessitam de dosagens relativamente elevadas e so suscetveis decomposio, principalmente quando se usam biocidas oxidantes (cloro, bromo, etc.). Por serem de origem orgnica e biodegradveis, no so txicos ao ambiente e no comprometem o efluente gerado pelas descargas. Alguns taninos modificados exercem, ainda, uma funo bacteriosttica, que auxilia no controle microbiolgico. 6. Polmeros: Certos polmeros de baixo peso molecular, tais como poliacrilatos e polimaleatos, exibem propriedades de inibio de corroso quando usados em guas com concentraes razoveis de carbonato de clcio. O mecanismo proposto da formao de uma camada de carbonato de clcio dispersa que, precipitada sobre a superfcie do metal, impede a corroso. Devido ao dispersante do polmero, a camada no se desenvolve e no constituir uma incrustao.


7. Silicatos: Formam um filme adsorvido sobre a superfcie do metal. Sua performance muito afetada pelas condies operacionais (pH, temperatura, qualidade da gua) e, por isso, tambm so pouco utilizados em sistemas abertos. Apresentam o risco de formao de incrustaes de slica extremamente duras. So normalmente empregados em sistemas fechados, incluindo circuitos de gua quente e de salmoura refrigerada.

6.2.2.2

Inibidores Catdicos

Estes inibidores agem preferencialmente, porm no obrigatoriamente, nas zonas catdicas dos processos corrosivos. O mecanismo de ao tambm se baseia na formao de barreiras e filmes protetivos, que restringem o fluxo de ons hidrognio, hidroxilas e oxignio para as superfcies catdicas, que completam as reaes de corroso. Os principais inibidores catdicos usados em sistemas de resfriamento so: 1. Polifosfatos: Apresentam boa inibio de corroso quando ons de metais bivalentes estiverem presentes na gua, tais como clcio. Alm da inibio da corroso, os polifosfatos tambm atuam como inibidores de incrustao. Seu uso combinado com zinco apresenta resultados superiores ao uso isolado do polifosfato, principalmente em guas com concentraes baixas de clcio. Os polifosfatos usualmente empregados (pirofosfatos, tripolifosfatos e hexametafosfatos) tm o inconveniente de reverterem-se quimicamente a ortofosfatos, podendo causar incrustaes quando associados ao clcio. Alm disso, excesso de fosfatos em guas de resfriamento favorece o desenvolvimento microbiolgico, principalmente de algas.


FIGURA 31:

FORMAS MOLECULARES BSICAS DOS POLIFOSFATOS

2. Zinco: So usualmente empregados em combinaes com outros inibidores de corroso (polif

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