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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
E s c o l a d e E n g e n h a r i a d e L o r e n a – E E L
RAFAEL TEBECHERANI
ESTUDO DO USO DE CATALISADORES ELETROQUÍMICOS PARA O
TRATAMENTO DE ÁGUA DE UMA TORRE DE RESFRIAMENTO EM UMA
INDÚSTRIA QUÍMICA NO VALE DO PARAÍBA
Área de Concentração: Engenharia Química
LORENA
2015
RAFAEL TEBECHERANI
ESTUDO DO USO DE CATALISADORES ELETROQUÍMICOS PARA O
TRATAMENTO DE ÁGUA DE UMA TORRE DE RESFRIAMENTO EM UMA
INDÚSTRIA QUÍMICA NO VALE DO PARAÍBA
Monografia apresentada à Escola de
Engenharia de Lorena – Universidade de
São Paulo como requisito parcial para
obtenção de título de Engenheiro Químico.
Orientador: Prof. Dra. Elisangela de Jesus Candido de Moraes
LORENA
2015
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL
DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU
ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE
CITADA A FONTE.
CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO
Assessoria de Documentação e Informação
Escola de Engenharia de Lorena – USP
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais, Ciro e Salete, meus grandes exemplos de vida, pelo amor, educação,
suporte dado e por sempre me apoiarem em todas as minhas decisões.
A minha família, por sempre ter acreditado em meu pontecial e ter torcido para o meu
sucesso.
A minha orientadora, Prof. Dra. Elisangela de Jesus Candido de Moraes, por me apoiar
e me ajudar no direcionamento do meu projeto.
Aos meus amigos, os quais foram como uma segunda família durante esta jornada, por
todo o companheirismo, risadas e momentos inesquecíveis proporcionados.
EPÍGRAFE
“Sonhos determinam o que você quer. Ação determina o que você conquista”
ALDO NOVAK
RESUMO
TEBECHERANI, R Estudo do uso de Catalisadores Eletroquímicos para o
Tratamento de Água de uma Torre de Resfriamento em uma Indústria
Química no Vale do Paraíba. 2015. Monografia – Escola de Engenharia de Lorena,
Universidade de São Paulo, Lorena, 2015.
As torres de resfriamento são equipamentos que têm como principal finalidade o
resfriamento de águas industriais, como por exemplo, aquelas provenientes de
trocadores de calor. Uma torre de resfriamento é essencialmente uma coluna de
transferência de massa e calor, projetada de forma a permitir uma grande área de
contato entre uma corrente de água aquecida e uma corrente de ar, através de um
recheio. No contato direto entre as duas correntes ocorre a evaporação da água,
principal fenômeno que produz seu resfriamento. Devido às características
operacionais das torres de resfriamento (evaporação, que concentra os íons na água
de circulação e o contato íntimo entre água e ar, que pode arrastar contaminantes
deste), um correto tratamento de água é condição fundamental para o bom
funcionamento destas. Este trabalho é uma pesquisa ação, focada na melhoria da
qualidade da água de uma torre de resfriamento de uma empresa química do Vale
do Paraíba, visando o aumento da confiabilidade dessa e de seus equipamentos
associados. Para tal, será implementado um sistema de tratamento da água de
resfriamento, tendo como principal elemento um catalisador eletroquímico. O
principal objetivo da pesquisa é constatar a eficiência do tratamento aplicado
através dos resultados que serão obtidos, como a normalização dos parâmetros
físico-químicos da água de resfriamento, redução da perda de produção, associada
com as falhas das bombas da torre, e aumento de sua eficiência térmica.
Palavras-chave: Torres de Resfriamento. Tratamento de Água. Catalisadores
Eletroquímicos. Confiabilidade.
ABSTRACT
TEBECHERANI, R. Study of Catalyst Materials Water Treatment for a Cooling
Tower in a Chemical Industry of Vale do Paraíba. In 2015. Monograph Project – Escola
de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2015.
Cooling towers are equipments which are mainly used for cooling industrial water, as
those from heat exchangers. A cooling tower is essentially a transfer heat and mass
column, designed to allow a large contact area between water and air stream through a
fill. As a result of this contact the water evaporates. Due to the operating conditions
which cooling towers work (ions concentration increases and dust drags), a correct
water treatment is essential for a good operation. This work is an action research focused
on the improvement of the cooling water quality in a chemical industry of Vale do Paraíba
in order to enhance the tower and associated equipments reliability. It will be implemented
a cooling water treatment system which has as mainly component a catalyst material.
The objective of this research is to verify the treatment efficiency through the results
obtained, as cooling water physicochemical parameters normalization, production losses
reduction and thermal efficiency improvement.
Keywords: Cooling Towers. Water Treatment. Catalyst Materials. Reliability.
LISTA DE ABREVIATURAS
AT Alcalinidade Total
DC Dureza Cálcica
ETE Estação de Tratamento de Efluentes
LSI Langelier Scaling Index
PSI Puckorius Scaling Index
PSO Phosphino Succinic Oligomer
RSI Riznar Stability Index
TDS Total Dissolved Solids
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Aquecimento da água de resfriamento no trocador de calor ............................... 12
Figura 2 – Sistema de resfriamento aberto de recirculação .................................................. 13
Figura 3 – Modos de medição para temperaturas de bulbo seco e úmido ........................... 15
Figura 4 – Fluxo básico de massas em uma torre de resfriamento ....................................16
Figura 5 – Interligaçao entre os problemas..........................................................................24
Figura 6 – célula corrosiva eletroquímica e as reações que ocorrem no ânodo
e cátodo ................................................................................................................................ 28
Figura 7- Porcentagem de economia da água de reposição associado ao
aumento do ciclo de concentração........................................................................................ 33
Figura 8 - Cristais de carbonato de cálcio em seu estado “normal”
(ampliação: 2000X).............................................................................................................. 34
Figura 9 – Cristais de carbonato de cálcio, distorcidos, crescendo lentamente após
o tratamento com poliacrilatos (ampliação 2000X) ............................................................ 35
Figura 10 – Polímero altamente aniônico adsorvido por patículas de fouling suspensas,
aumentando a carganegativa desta ...................................................................................... 36
Figura 11 – Repulsão entre as partículas de sólidos em suspensão ................................... 36
Figura 12 – Íon atravessando a região do condicionador magnético .................................. 39
Figura 13 – Exemplo de catalisador eletroquímico .............................................................. 41
Figura 14 - Ciclo de pesquisa-ação ..................................................................................... 42
Figura 15 – Esquema do sistema de resfriamento ............................................................... 45
Figura 16 – Infraestrutura do sistema de tratamento de água da torre em estudo............... 50
Figura 17 – Plano de atividades.......................................................................................... 56
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 – Taxa de corrosão em função do pH da água .................................................... 20
Gráfico 2 – Solubilidade de CaCO3 em águas quentes e frias .............................................. 21
Gráfico 3 – Lista dos dez equipamentos responsáveis pelas maiores perdas de produção em
2013). As P-910 indicadas na figura são as bombas da torre de resfriamento em
estudo................................................................................................................................... 47
Gráfico 4 – Lista dos dez equipamentos responsáveis pelas maiores perdas de produção em
2014). As P-910 indicadas na figura são as bombas da torre de resfriamento em
estudo................................................................................................................................... 47
Gráfico 5 – Perda de produção devido as P-910 no primeiro quarto de 2014 e 2015......... 59
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Conversão da condutividade para TDS ..............................................................22
Tabela 2 – Tendência da corrosão e incrustação em função do RSI .................................... 31
Tabela 3 – Tendência da corrosão e incrustação em função do RSI e PSI........................... 32
Tabela 4 – Resultado das análises da água de reposição, comparado com os respectivo
limites recomendados.............................................................................................................49
Tabela 5 – Resultado das análises da água de circulação, comparado com os respectivos
limites recomendados............................................................................................................ 49
Tabela 6 – Valores de pHs, pHeq e PSI para cada ciclo de concentração............................ 53
Tabela 7 – Resultado das análises da água de circulação, após um mês de tratamento,
comparado com os respectivos limites recomendados (ciclo de concentração igual a
3)........................................................................................................................................... 57
Tabela 8 – Resultado das análises da água de circulação, após dois meses de tratamento,
comparado com os respectivos limites recomendados (ciclo de concentração igual a
5)............................................................................................................................................58
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 10
2. OBJETIVOS ............................................................................................................... 11
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................... 12
3.1. IMPORTÂNCIA DAS TORRES DE RESFRIAMENTO NA INDÚSTRIA ....... 12
3.2. TERMINOLOGIA DAS TORRES DE RESFRIAMENTO ................................... 13
3.3. BALANÇOS DE MASSA EM TORRES DE RESFRIAMENTO........................15
3.4. PRINCIPAIS PARÂMETROS DA ÁGUA CONTROLADOS EM SISTEMAS
DE RESFRIAMENTO ........................................................................................... 19
3.4.1. pH ................................................................................................................ .19
3.4.2. Dureza .......................................................................................................... 20
3.4.3. Teor de Ferro ............................................................................................... .21
3.4.4. Alcalinidade Total ....................................................................................... .21
3.4.5. Sílica Total ................................................................................................... 22
3.4.6. Condutividade elétrica e Sólidos Totais Dissolvidos (TDS) ....................... .22
3.4.7. Cloretos ........................................................................................................ 23
3.4.8. Sólidos Suspensos ........................................................................................ 23
3.4.9. Contagem Microbiológica ............................................................................ 23
3.5. PRINCIPAIS PROBLEMAS OCORRENTES EM SISTEMAS DE
RESFRIAMENTO................................................................................................ ... 24
3.5.1. Depósitos........................................................................................................25
3.5.2. Corrosão..........................................................................................................27
3.5.3. Desenvolvimento Microbiano........................................................................29
3.6. ÍNDICES DE ESTABILIDADE DA ÁGUA – TENDÊNCIA CORROSIVA E
INCRUSTANTE ..................................................................................................... 30
3.6.1. Índice de Saturação de Langelier .................................................................. 31
3.6.2. Índice de Estabilidade de Ryzner ................................................................ .31
3.6.3. Índice de Puckorius (PSI).............................................................................32
3.7. TRATAMENTOS DE ÁGUA EM TORRES DE RESFRIAMENTO ................... 32
3.7.1. Tratamentos Químicos ................................................................................. 33
3.7.1.1. Químicos Inibidores de Incrustação .................................................. 34
3.7.1.2. Químicos Inibidores de Depósitos Sedimentares.............................. 35
3.7.1.3. Químicos Inibidores de Corrosão.......................................................37
3.7.1.4. Químicos Inibidores de Desenvolvimento Microbiano .................... 38
3.7.2. Tratamentos Físicos .................................................................................... 38
3.7.2.1. Condicionadores Magnético ………………………………...……...38
3.7.2.2. Catalisadores Eletroquímicos ........................................................... 40
4. METODOLOGIA ......................................................................................................... 42
4.1. Método de pesquisa: Pesquisa-Ação.......................................................................... 42
4.2. Objeto do Estudo ....................................................................................................... 44
4.2.1. Companhia ................................................................................................... 44
4.2.2. Processo de Resfriamento ............................................................................ 44
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ...................................................................................... 46
5.1. Fase Preliminar- Contexto e Propósito..................................................................... 46
5.2. Coleta de dados......................................................................................................... 48
5.3. Feedback dos dados.................................................................................................. 48
5.4. Análise dos dados...................................................................................................... 49
5.4.1. Ciclo de concentração máximo com base nas condições operacionais........52
5.4.2. Ciclo de concentração máximo em sílica.....................................................52
5.4.3. Ciclo de concentração ideal com base no índice de estabilidade................ 52
5.4.4. Vazão de água a ser filtrada......................................................................... 54
5.5.Planejamento da ação................................................................................................. 55
5.6.Implementação........................................................................................................... 56
5.7.Avaliação................................................................................................................... 57
6. CONCLUSÃO.................................................................................................................. 61
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 62
10
1. INTRODUÇÃO
As torres de resfriamento são equipamentos presentes nas mais diferentes
indústrias onde há necessidade de remoção do calor gerado no processo. Através da
transferência de massa e calor devido ao contato íntimo do ar com a água
aspergida no recheio, esta é resfriada. O resfriamento da água ocorre através da
transferência de calor latente (evaporação da água) e sensível (diferença de
temperatura entre água e ar), sendo estas responsáveis por, respectivamente, 80% e
20% da totalização do calor transferido (ALPINA, 2014). Após alguns ciclos de
operação, é necessária a reposição da água devido às perdas por evaporação, arraste e
purgas.
Com a evaporação, os sólidos dissolvidos e suspensos na água concentram-
se. A alta concentração de sais, aliada as condições em que as torres de
resfriamento operam, favorecem problemas como depósitos, corrosão e
proliferação de micro-organismos. A água de resfriamento não tratada implica em
perdas de eficiência térmica das torres e danos, tanto aos seus componentes, como a
tubulações e equipamentos presentes no sistema, além de poder acarretar em paradas
não programadas (NALCO, 2009).
Com o conceito de confiabilidade sendo cada vez mais difundido na cultura
das grandes empresas, estas vêm buscando meios de manter seus processos
funcionando como o requerido, evitando eventos não planejados. As torres de
resfriamento se enquadram neste contexto, pois processos que dependem de algum
tipo de refrigeração necessitam de alta confiabilidade, uma vez que mesmo pequenas
oscilações de temperatura podem, muitas vezes, além de prejudicar a produção,
comprometer a segurança do processo.
Este trabalho foi desenvolvido sobre o conceito de confiabilidade aplicado a
uma torre de resfriamento de uma empresa química do Vale do Paraíba, que utiliza
este equipamento para manter o funcionamento do sistema de vácuo dos secadores
principais no processo, além de refrigeração eventual de suas camisas.
11
2. OBJETIVOS
O objetivo principal foi melhorar a qualidade da água de resfriamento,
ajustando os principais parâmetros químicos desta para faixas de limites aceitáveis,
preservando assim a integridade dos equipamentos e tubulações do sistema,
garantindo a estabilidade do processo e ajudando no alcance da meta da companhia
em se tornar uma empresa altamente confiável. Para tal melhora, foi instalado um
sistema de tratamento de água de resfriamento composto por: catalisador
eletroquímico (principal equipamento do tratamento); filtro de areia com retro-lavagem
automática; dosador de passagem de biocida; sistema de dreno automático com
condutivímetro e uma válvula controladora de nível com flutuador, do tipo bóia, para
a reposição automática da água.
Os catalisadores eletroquímicos são equipamentos de passagem de água,
através do qual a água tem contato com uma célula metálica. Este contato estabelece
uma diferença de potencial entre os metais da célula e os metais presentes na água
(cálcio, sódio, ferro, magnésio, etc), havendo transferência de elétrons da célula para
a água. Essa presença de elétrons na água neutraliza os potenciais de incrustação e
corrosão da mesma (CLEAN SYSTEM, 2014).
12
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. IMPORTÂNCIA DAS TORRES DE RESFRIAMENTO NA INDÚSTRIA
As torres de resfriamento são equipamentos fundamentais para a maioria dos
processos industriais que utilizam água como líquido de resfriamento. Sistemas de
resfriamento controlam a temperatura transferindo o calor gerado pelo fluido aquecido do
processo para a torre de resfriamento, que transfere esse calor para o ambiente. Com
isso, a água de resfriamento, aquecida, precisa ser resfriada ou reposta (Figura 1). A
eficiência do processo gerador de calor dependerá diretamente da capacidade do sistema
de resfriamento em manter a temperatura ideal de operação. O tipo de desenho e
efetividade da torre de resfriamento irá depender do tipo de processo a ser resfriado, das
características da água e condições ambientais (NALCO, 2014).
Figura 1 – Aquecimento da água de resfriamento no trocador de calor.
Fonte: Nalco, 2014.
O sistema de resfriamento no qual as torres de resfriamento se enquadram são
denominados sistemas abertos com recirculação, como mostrado na Figura 2. Este tipo de
sistema é o mais usado nas indústrias, consistindo de uma bomba, trocadores de calor e
uma torre de resfriamento. A bomba mantém a água recirculando através dos trocadores,
que transferem o calor para a torre, que por sua vez, livra-se deste através da evaporação
13
da água. Devido a esta evaporação, os sólidos dissolvidos e suspensos tendem a se concentrar
(NALCO, 2014). Para reduzir o acúmulo desses sólidos, a água das bacias das torres de
resfriamento é purgada de tempos em tempos.
Figura 2 – Sistema de resfriamento aberto com recirculação.
Fonte: Nalco, 2014.
3.2. TERMINOLOGIA DAS TORRES DE RESFRIAMENTO
As torres de resfriamento possuem um vocabulário próprio, associados tanto às
condições de projeto e operação como aos seus componentes. Segundo Stanford III (2003),
estes termos são de fundamental importância para um bom entendimento desses
equipamentos e podem ser encontrados a seguir:
Recheio (“enchimento”): meio no qual ocorre a transferência de calor em uma torre
de resfriamento. O recheio é projetado para “maximizar” o contato entre a água a
ser resfriada e o ar ambiente.
Bicos dispersores: dispositivos que controlam o fluxo de água através da torre.
Normalmente, esses bicos são projetados para produzir um “spray” de água.
Bacia coletora: bacia que coleta a água resfriada que passa através do recheio e
será bombeada de volta para o processo.
14
Ventiladores: pás que forçam o fluxo de ar através da torre.
Eliminador de gotículas: aparato que impede ou minimiza a perda de água por
arraste na corrente de saída de ar no topo da torre para a atmosfera.
Arraste: perdas de gotículas de águas, que não foram evaporadas, pela exaustão do
ar.
Aproximação ao bulbo úmido: diferença entre a temperatura da água que está
saindo da torre e a temperatura de bulbo úmido.
Salto térmico: diferença entre as temperaturas de entrada e saída de água na torre.
Reposição: água adicionada para repor as perdas desta por evaporação, arraste e
purga.
Purga: água intencionalmente descartada do sistema para controlar a
concentração de sólidos ou outras impurezas da água.
Capacidade térmica: quantidade total de calor que uma torre de resfriamento pode
dissipar para uma dada vazão, aproximação ao bulbo úmido e temperatura de bulbo
úmido.
Evaporação: mudança de fase da água do estado líquido para vapor.
Pluma: mistura de vapor d’água e ar aquecido que deixa a torre de resfriamento.
Em contato com o ar ambiente, a pluma torna-se visível.
Ciclo de concentração: parâmetro que indica quantas vezes a concentração de um
soluto não volátil presente na água de recirculação é maior do que a concentração
deste mesmo soluto na água de reposição.
Temperatura de bulbo seco: é a própria temperatura do ar.
Temperatura de bulbo úmido: segundo McCabe, Smith, Harriot (2005), é a
temperatura atingida por uma “pequena” porção de água em regime permanente,
exposta a uma corrente contínua de ar não saturado, em condições adiabáticas,
sem efeito de radiação térmica. A temperatura de bulbo úmido é a temperatura
mais baixa que pode ser alcançada apenas pela evaporação da água. Ao contrário
da temperatura de bulbo seco, a temperatura de bulbo úmido é uma indicação da
quantidade de umidade no ar. Quanto menor a umidade relativa do ar, maior o
resfriamento. Essas duas temperaturas podem ser medidas como mostrado na
Figura 3.
15
Figura 3 – Modos de medição para temperaturas de bulbo seco e úmido
Fonte: Mello, 2008.
3.3. BALANÇOS DE MASSA EM TORRES DE RESFRIAMENTO
Um esquema das entradas e saídas em uma torre de resfriamento pode ser
representado pela Figura 4.
16
Figura 4 – Fluxo básico de massas em uma torre de resfriamento
Fonte: Fogaça, 2013.
Onde:
Q = Vazão de circulação
E = Vazão de perda por evaporação
A = Vazão de perda por arrate de gotículas
D = Vazão de descarga de fundo
P = Vazão correspondente a outras perdas de água líquida
R = Vazão de água de reposição
O balanço de massa para uma torre de resfriamento pode ser dado pela
Equação 1:
𝑹 = 𝑬 + 𝑫 + 𝑨 + 𝑷 (1)
As perdas por evaporação estão sujeitas a carga térmica do processo, da vazão
17
de água de circulação (Q) e das condições metereológicas. Porém, por simplificação, em
países tropicais, a evaporação pode ser determinada pela transferência de calor sensível
perdido pelas gotículas da corrente que não foi vaporizada (Q-E) para a outra parte das
gotículas que terão um calor latente suficiente para a evaporação (E), como demonstrado
na Equação 2 (FOGAÇA, 2013).
𝑬. ∆𝑯𝒗 = (𝑸 − 𝑬). 𝒄. ∆𝑻 (2)
Onde:
∆𝐇𝐯= Calor latente de vaporização da água (2,42 x 103 kJ kg
-1) a 25 ºC
c = Calor específico sensível da água (4,18 kJ kg-1
ºC-1
)
∆𝑻= Diferença entre a temperatura da água quente de entrada e a água fria de
saída (salto térmico).
Portanto:
𝑬. (𝟏 + 𝟏, 𝟕𝟑. 𝟏𝟎−𝟑. ∆𝑻) = 𝟏, 𝟕𝟑. 𝟏𝟎−𝟑. 𝑸. ∆𝑻
O ∆𝑻 normalmente varia entre 5 e 20 ºC (FOGAÇA, 2013), sendo maior do
que a parcela entre parêntesis. Simplificando:
𝑬 = 𝟏, 𝟕𝟑. 𝟏𝟎−𝟑. 𝑸. ∆𝑻 (3)
A vazão de perda por arraste de gotículas pode ser calculada pela Equação 4
𝑨 = 𝒇𝑨. 𝑸 (4)
Onde:
𝒇𝑨= Fator de perda por arraste
Normalmente o fator de perda por arraste oscila entre 0,1 a 2,0.10-3
na maioria
das torres com equipamentos que diminuem o arraste.
18
O balanço de massa em uma torre de resfriamento também pode ser realizado
por componentes, como mostrado na Equação 5.
𝒄𝒓. 𝑹 = 𝒄𝒆. 𝑬 + 𝒄𝒍. 𝑳 (5)
Onde:
cr= Concentração da espécie na vazão de água de reposição
ce= Concentração da espécie na vazão de evaporação
cl= Concentração da espécie na vazão de perda total de fase líquida
L= Perda total de fase líquida (L = A+D+P)
Se considerarmos uma espécie não volátil, como por exemplo a sílica (SiO2),
sua concentração na fase vapor será nula e, portanto, a Equação 5 pode ser
simplificada (FOGAÇA, 2013):
𝒄𝒓. 𝑹 = 𝒄𝒍. 𝑳 (6)
Rearranjando:
𝑹
𝑳=
𝒄𝒍
𝒄𝒓= 𝒙 (7)
Onde:
x= Ciclo de concentração
Com as Esquações 1 e 6, podemos obter a relação entre o ciclo de concentração
e a perda total da fase líquida:
𝑳 =𝑬
𝒙−𝟏 (8)
19
3.4. PRINCIPAIS PARÂMETROS DA ÁGUA CONTROLADOS EM
SISTEMAS DE RESFRIAMENTO
Para o bom funcionamento das torres de resfriamento, alguns parâmetros
químicos da água, tanto de circulação como de reposição, devem ser controlados e
monitorados, uma vez que estes estão diretamente ligados com os maiores
problemas em águas de resfriamento: formação de depósitos, corrosão e
desenvolvimento microbiano.
3.4.1 pH
O pH é um indicador de acidez, possuindo uma escala que vai de 0 a 14,
com 0 sendo a acidez máxima e 14 totalmente básico (oposto de ácido). O cálculo do
pH é dado pela Equação 9.
𝑝𝐻 = − log[𝐻+] (9)
O controle do pH é muito importante para o tratamento de água em
torres de resfriamento. Em linhas gerais: a corrosão dos metais aumenta com o pH
abaixo de uma determinada faixa, como mostrado na Gráfico 1; a formação de
incrustações começa ou aumenta acima de determinada faixa de pH; a maioria dos
organismos vivem em pH igual a 7 e a água natural tem um pH entre 6,5 a 9,5
(NALCO, 2014).
20
3
Gráfico 1 – taxa de corrosão em função do pH da água.
Fonte: Stanford III, 2003.
3.4.2 Dureza
A dureza é medida pela quantidade de íons cálcio e magnésio presentes na água,
sendo o cálcio responsável por (2
3) da dureza total dessa. É a principal fonte de depósitos
em trocadores de calor, caldeiras e tubulações, uma vez que os sais de magnésio
( Mg2+
) e cálcio ( Ca2+
) formados com os ânions sulfato (SO42-
), carbonato (CO32-
) e fosfato
(PO43-
), têm sua solubilidade diminuída com o aumento da temperatura, como mostrado no
Gráfico 2, para o carbonato de cálcio (CaCO3) (GONDIM, 2014).
21
Fonte: Nalco, 2009.
3.4.3 Teor de Ferro
O ferro está presente na água em dois estados diferentes: ferroso e férrico. No
estado ferroso, o ferro está parcialmente oxidado (Fe2+) e é bastante solúvel, enquanto que
no estado férrico (Fe3+ ) ele encontra-se totalmente oxidado e tem baixa solubilidade
(PENNA, 2009).
3.4.4 Alcalinidade Total
A alcalinidade total é a quantidade de íons hidróxido (OH
-), bicarbonato (HCO3
-)
e carbonato (CO32-
) na água, podendo ser definida como a capacidade de reação de um
meio, face a adição de um ácido. Representa a capacidade que um sistema aquoso
tem para neutralizar ácidos sem perturbar de forma extrema as atividades biológicas
que nele decorrem (efeito tampão natural da água) (STANFORD III, 2003) (PENNA,
2009).
É uma das determinações mais importantes no controle da água, estando
relacionada com a coagulação, redução de dureza e prevenção de corrosão (PENNA,
2009).
Gráfico 2 – Solubilidade de CaCO3 em águas quentes e frias.
22
3.4.5 Sílica Total
A sílica total é distribuída em dois tipos: sílica reativa (íons silicatos SiO44-
) e não
reativa (coloidal, SiO2). A sílica reativa reage com Ca2+
e Mg2+
para formar silicatos
complexos a altas temperaturas, depositando nas áreas quentes do sistema de resfriamento
(GONDIM, 2014). A sílica não reativa deposita na forma de depósitos sedimentares.
3.4.6 Condutividade e Sólidos Totais Dissolvidos (TDS)
A condutividade é uma medida da habilidade da condução de eletricidade em meio
aquoso devido à presença de sais dissolvidos. Uma alta concentração de sais dissolvidos
contidos na água significa que esta água apresenta uma elevada condutividade, sendo
assim maior sua probabilidade de proporcionar corrosão ou incrustação nos sistemas de
troca térmica (PENNA, 2009). A condutividade é medida em μS/cm (micro Siemens por
centímetro).
A conversão da condutividade em sólidos totais dissolvidos (TDS) está apresentada
na Tabela 1 (GONDIM, 2014).
Tabela 1 – Conversão da condutividade para TDS.
Fonte: Gondim, 2014.
A maioria dos sistemas de purga automática são baseados na monitoração
contínua do TDS, indicado pela sua condutividade.
23
3.4.7 Cloretos
O íon cloreto (Cl
-) é um constituinte comum da água, devido a sua grande
solubilidade nesta. Estes íons aceleram a corrosão de metais, especialmente em aços
inoxidáveis, mesmo em baixas concentrações, dependendo da temperatura (GONDIM,
2014).
3.4.8 Sólidos Suspensos
Os sólidos suspensos é a medida de materiais sedimentáveis em suspensão e
coloidais ou como partículas grossas. Estes sólidos sedimentam na água quando em
repouso. Além de causarem depósitos em tubulações e equipamentos, favorecem o
desenvolvimento de micro-organismos que aceleram processos corrosivos microbiológicos
(PENNA, 2009).
3.4.9 Contagem Microbiológica
Os micro-organismos presentes em águas de resfriamento contribuem para o
desenvolvimento de deposição sedimentar e corrosão nos equipamentos, além de
poderem causar doenças, como é o caso da bactéria Legionella Pneumophilia (GONDIM,
2014).
24
3.5. PRINCIPAIS PROBLEMAS OCORRENTES EM SISTEMAS DE
RESFRIAMENTO
A formação de depósitos, o estabelecimento de processos corrosivos e o
desenvolvimento microbiano são os principais problemas ocorrentes em sistemas de
resfriamento. Estes problemas são capazes de gerar perda de eficiência operacional ou,
até mesmo, a parada de um sistema de resfriamento ou de unidades e equipamentos
que dele dependem de modo direto ou indireto. Os depósitos, a corrosão e o
desenvolvimento microbiano são, muitas vezes, associados ou interligados, sendo um
deles a causa do outro, conforme mostrado na Figura 5 (PEREIRA, 2007).
Figura 5 – Interligação entre os problemas.
Fonte: PEREIRA, 2007.
Os seguintes casos servem como exemplos de interligação entre depósitos,
corrosão e desenvolvimento microbiano (GENTIL, 2003):
A formação de depósitos não uniformes e porosos cria condições para o
desenvolvimento de processo corrosivo por aeração diferencial sob
depósito.
A formação de depósitos cria condição para o desenvolvimento de
bactérias anaeróbias sob depósito.
A corrosão do ferro pode produzir óxido de ferro (III) gerando depósitos
25
sedimentares em regiões onde a água flui com baixa velocidade.
A corrosão inicial do ferro conduz à formação de íons Fe2+
que podem
levar ao desenvolvimento de bactérias aeróbias oxidantes do ferro (II) a
ferro (III), com possibilidade da formação de depósito de óxido férrico.
Bactérias encapsuladas e formadoras de limo microbiano são geradoras
de depósitos de biomassa que podem atuar como aglutinadores de
outros tipos de depósitos.
Micro-organismos são responsáveis pelo estabelecimento de processos
corrosivos microbiologicamente induzidos ou influenciados.
Portanto, qualquer que seja o método escolhido para o condicionamento da
água, este deve atuar de modo a inibir os três problemas: corrosão, formação de
depósitos e desenvolvimento microbiano.
3.5.1. Depósitos
Os depósitos são formações que aderem com maior ou menor intensidade às
superfícies dos equipamentos ou dos tubos e conexões (PEREIRA, 2007). Em torres de
resfriamento, além de reduzir a taxa de transferência de calor (diminuição da
eficiência térmica), também podem aumentar o risco de corrosão e restringir a vazão
dessas (FRAYNE, 1999).
Existem três tipos fundamentais de depósitos (PEREIRA,2007): incrustações
verdadeiras, depósitos sedimentares e depósitos tipo incrustação.
As incrustações verdadeiras têm origem em sólidos inicialmente dissolvidos na
água. Quando o meio aquoso proporciona condições como alteração de pH ou de
temperatura, a solução pode atingir o seu limite de solubidade, tornando-se uma
solução saturada. Ao ultrapassar esse limite, a solução atinge um estado de
supersaturação, propiciando a formação de pontos de nucleação cristalina, sobre a
superfície do material, atuando como sementes de cristalização. Segue-se então, a etapa
de crescimento cristalino, com formação de uma incrustação verdadeira, geralmente
muito aderente e de difícil remoção (PEREIRA, 2007).
As incrustações verdadeiras mais comuns são as de carbonato de cálcio e as de
26
silicatos, geralmente de cálcio e/ou magnésio.
A incrustação calcária (incrustações de carbonato de cálcio) é formada devido
ao aumento do pH ou da temperatura da solução. Segundo a equação do equilíbrio
bicarbonato-carbonato (reação endotérmica), representada pela Equação 10, um
aumento da temperatura ou do pH da solução desloca o equilíbrio no sentido da
formação do íon carbonato, que irá reagir com o íon cálcio presente na água, formando
precipitado de carbonato de cálcio (PEREIRA, 2007).
2HCO3(aq)− ↔ CO3(aq)
2− + CO2(g) + H2O(l) (10)
Portanto, o controle de pH é de suma importância para evitar esse tipo de
incrustação.
As incrustações silicatadas (incrustações de silicatos), por sua vez, são
mais diversificadas e têm origem em reações de precipitação entre os íons silicatos
(SiO32-
, SiO44-
, Si2O76-
) com alguns íons metálicos presentes na água (PEREIRA,
2007).
A prevenção da formação de incrustações silicatadas é feita pelo controle
do ciclo de concentração, evitando que seja superado o produto de solubilidade do
silicato pouco solúvel.
Os depósitos sedimentares têm sua origem em sólidos em suspensão
dispersos no meio aquoso, podendo ser de natureza orgânica, inorgânica ou
microbiana. Quando o meio opera em baixa velocidade de fluxo, os sólidos sofrem
sedimentação, formando depósitos sobre a superfície do material (PEREIRA, 2007)
A deposição sedimentar pode ser atenuada pelo condicionamento
adequado da água de reposição. Entretanto, em torres de resfriamento, a incorporação
à água de partículas sólidas presentes no ar é praticamente inevitável. Em casos onde
esse tipo de contaminação ocorre de forma mais drástica, normalmente se recorre a
uma filtração de 3% a 10% (até um máximo de 20%) da água de circulação,
denominada filtração lateral, reduzindo de maneira expressiva a concentração de
sólidos em suspensão presentes na água (PEREIRA, 2007) (DUAN et al.,2015).
Os depósitos sedimentares são, menos aderentes que as incrustações
verdadeiras, sendo assim de maior facilidade para a remoção (uma simples varetagem,
contra-fluxo de água e/ou drenagem localizada são o suficiente). Este tipo de depósito
também pode ser removido com o uso de agentes dispersantes específicos (PEREIRA,
27
2007).
Os depósitos tipo incrustação são precipitados que, formados no seio do
líquido, decantam como depósitos sedimentares. Este tipo de depósito possui grau de
aderência intermediário entre depósitos sedimentares e incrustações verdadeiras
(PEREIRA, 2007).
3.5.2. Corrosão
Corrosão é a deterioração de um material, geralmente metálico, pela a ação
química ou eletroquímica do meio ambiente (GENTIL, 2003).
Existem duas formas básicas de corrosão: generalizada e localizada.
Na corrosão generalizada, a perda de massa ou espessura do material ocorre de
forma praticamente constante ou homogênea ao longo de sua superfície, segundo um
mecanismo eletroquímico com transferência de elétrons de um ânodo para um cátodo
(GENTIL, 2003).
Um exemplo dessa célula eletroquímica, bem como suas reações, é mostrado
na Figura 6.
28
Figura 6 – célula corrosiva eletroquímica e as reações que ocorrem no ânodo e cátodo
Fonte: Adaptado de Nalco, 2014.
Em meio aerado, o íon ferro (II) é oxidado a ferro (III), ocorrendo a formação
de óxido de ferro (III) hidratado, pouco solúvel, como mostrado na Equação 11.
2 𝐹𝑒(𝑎𝑞)2+ + 4 𝑂𝐻(𝑎𝑞)
− + 1
2 𝑂2 (𝑎𝑞) → 𝐹𝑒2𝑂3. 2𝐻2𝑂(𝑠) (11)
Na corrosão localizada, a perda de massa ocorre em locais pontuais do
material, sendo, muitas vezes, mais severas.
Os tipos de corrosão localizada mais frequentes em sistemas de resfriamento
são a galvânica, por aeração diferencial sob depósitos e as induzidas por
microrganismos (PEREIRA, 2007).
A corrosão galvânica resulta do contato direto de materiais diferentes , em
presença de um meio corrosivo, levando à formação de pilhas de ação local (GENTIL,
29
2003).
A corrosão por aeração diferencial ocorre quando regiões de uma mesma
superfície metálica estão submetidas a diferentes concentrações de oxigênio
dissolvido, em presença do meio corrosivo. As diferentes concentrações de oxigênio e
a presença de eletrólitos dissolvidos no meio aquoso dão origem a uma pilha de
aeração diferencial, sendo que a área anódica, onde ocorre a corrosão localizada do
metal, fica situada na região menos aerada (sob depósito) (GENTIL, 2003).
3.5.3. Desenvolvimento Microbiano
O crescimento descontrolado de micro-organismos pode causar formação de
depósitos (biofilme), contribuindo para um maior potencial de corrosão (formação
de pilhas de aeração diferencial nos metais utilizados e crescimento de
microrganismos causadores de processos corrosivos), incrustação e depósitos
sedimentares, interferindo assim na performance da torre de resfriamento
(MACHADO, 2004).
O biofilme é uma película sobre a superfície metálica formada por bactérias
sésseis e planctônicas, fungos e algas, aprisionadas dentro do produto do
metabolismo da própria colônia, uma substância denominada glicocálix, que serve
como um adesivo capaz de encapsular as células, evitando que a colônia seja
arrastada com o fluxo da água (MACHADO, 2004).
O combate ao desenvolvimento microbiano pode ser feito pelo uso de biocidas
oxidantes (que possuem ação satisfatória no combate ao desenvolvimento de algas e
bactérias aeróbias), biodispersantes (possuem uma melhor ação sobre bactérias
formadoras de limo e bactérias anaeróbias) e biocidas não-oxidantes (boa ação sobre
fungos, algas e bactérias) (PEREIRA, 2007).
30
3.6. ÍNDICES DE ESTABILIDADE DA ÁGUA – TENDÊNCIA
CORROSIVA E INCRUSTANTE
Os índices de estabilidade da água fazem a predição do potencial de
incrustação do CaCO3 na água, sendo os principais índices:
Índice de Langelier ( LSI Langelier Scaling Index);
Índice de Ryznar (RSI Ryznar Stability Index);
Índice de Puckorius (PSI Puckorius Scaling Index)
A seguir, estão representadas as equações para o cálculo do pH de
saturação do carbonato de cálcio (pHs) e dos índices citados acima (GONDIM, 2014):
𝑝𝐻𝑠 = (9,3 + 𝐴 + 𝐵) − (𝐶 + 𝐷) (12)
Onde:
A = 0,1 x [log(TDS) – 1]; [TDS]= mgL-1
B = [-13,12 log(T°C + 273)] + 34,55; [T]= °C
C = [log (Dureza Cálcica)] – 0,4; [Dureza Cálcica]= mgL-1
; Como(CaCO3)
D = log (Alcalinidade Total); [Alcalinidade Total]= mgL-1
; Como(CaCO3)
𝐿𝑆𝐼 = 𝑝𝐻 − 𝑝𝐻𝑠 (13)
𝑅𝑆𝐼 = 2 𝑝𝐻𝑠 − 𝑝𝐻 (14)
𝑃𝑆𝐼 = 2 𝑝𝐻𝑠 − 𝑝𝐻𝑒𝑞 (15)
Onde:
pHeq = 1,465 log(Alcalinidade Total) + 4,54; [Alcalinidade Total]= mgL-1
; Como
(CaCO3)
31
3.6.1. Índice de Langelier (LSI)
O Índice de Langelier mede o grau de saturação da água com relação ao
CaCO3, e portanto sua tendência à incrustação em águas de resfriamento. Valores
positivos de LSI indicam tendência à incrustação, devido a precipitação de CaCO3.
Já valores negativos indicam uma água corrosiva, a qual irá dissolver as
incrustaçõs de carbonato. Quando LSI = 0, a água está em condição de equilíbrio.
O LSI também não leva em conta a presença de inibidores de incrustação (YANG,
2005). As regras para interpretação do LSI estão apresentadas na Tabela 2.
Tabela 2 – Regras para interpretação do LSI.
Fonte: Gondim, 2014.
Embora o LSI seja um bom preditor de incrustação, ele não fornece o
potencial desta.
3.6.2 . Índice de Ryznar (RSI)
O RSI é uma variação do cálculo do LSI, tendo sido desenvolvido para,
além de predizer as tendências à incrustação e corrosão, estimar o quão corrosivo ou
incrustante é o potencial da água. Um valor de RSI igual a 7 indica uma água em
condição de quilíbrio. A medida que esse valor vai caindo, a água vai se tornando
mais incrustante, enquanto que a medida que o valor sobe a água se torna mais
corrosiva (YANG, 2005). A Tabela 3 mostra as escalas dos potencias de corrosão e
incrustação para diferentes faixas de RSI.
32
Tabela 3 – Tendência da corrosão e incrustação em função do RSI e PSI.
Fonte: Gondim, 2014.
Tanto o RSI como o LSI se tornam não confiáveis quando os sólidos
totais dissolvidos na água estão acima de 5000 mg/L (YANG, 2005).
3.6.3. Índice de Puckorius (PSI)
O PSI se baseia no cálculo do pH do sistema, em vez do pH real. Esse método
modificado proporciona uma melhor capacidade de previsão das tendências à
incrustação e corrosão na água de resfriamento, refletindo a alcalinidade real da água
(GONDIM, 2014). A Tabela 3 apresenta a interpretação dos valores do índice de
estabilidade de Ryznar (RSI) e Puckorius (PSI) com relação à tendência de corrosão e
incrustação.
3.7. TRATAMENTO DE ÁGUA EM TORRES DE RESFRIAMENTO
Os tratamentos de água de resfriamento se dividem em duas vertentes:
tratamento químico e tratamento físico. Ambos os tratamentos possuem suas
vantagens e desvantagens (KITZMAN et al., 2014).
Tratamentos físicos reduzem o consumo de água operando em altos ciclos de
concentração, podendo operar em ciclos de 6 a 8 ( tratamentos químicos
normalmente operam com bom desempenho com ciclos de 3 a 5). O aumento no
ciclo de concentração também reduz o volume de purga, diminuindo assim o volume
de água a ser tratado na estação de tratamento de efluentes. A Figura 7, a seguir,
mostra a redução aproximada no consumo de água com o aumento dos ciclos de
concentração.
33
Figura 7- Porcentagem de economia da água de reposição associado ao aumento do ciclo de
concentração.
Fonte: Adaptado de Meio filtrante, 2014.
Embora o uso de inibidores de incrustação no tratamento químico seja mais
eficiente para o controle desta, os depósitos remanescentes oriundos deste tipo de
tratamento são de maior dificuldade de remoção. Em tratamentos físicos, há a
possibilidade de dissolução de incrustações já existentes.
O tratamento químico promove um melhor controle de corrosão, embora as taxas
de corrosões decorrentes do tratamento físico estejam dentro dos limites aceitáveis na
indústria.
Tratamentos físicos possuem uma melhor performance no controle microbiológico
da água. No entanto, o tratamento químico é mais eficaz quando em relação ao controle de
algas.
Vale ressaltar que independente do tipo de tratamento escolhido, torres de
resfriamento que operam a altos ciclos de concentração devem considerar o uso de filtros
(filtragem lateral) para melhorar a limpeza do sistema devido ao baixo nível de purga.
Estes filtros também tem a função de proteger os dispositivos mecânicos dos tratamentos
físicos de água. Em ambientes muito abrasivos (muito pó e areia do ar) pode ser
necessário o uso de mais de um filtro (CHO; Mc LACHLAN,2008).
3.7.1 Tratamentos Químicos
Os tratamentos químicos foram os primeiros métodos empregados para o
tratamento de água em torres de resfriamento, sendo ainda hoje os mais empregados
(método mais consolidado).
34
Existem dois tipos de sistema de dosagem de químicos para o tratamento de águas
de resfriamento hoje no mercado: temporizados e de correção automática.
3.7.1.1.Químicos Inibidores de Incrustação
Existem dois tipos de inibidores químicos de incrustação:
Inibidores limitantes: previnem a formação de incrustações mantendo os
minerais formadores destas em solução, não permitindo que o processo de
cristalização comece. Um exemplo desses inibidores são ácidos como
H2SO4 e HCl (NALCO, 2014).
Inibidores cinéticos: diminuem a velocidade de precipitação dos sais,
interferindo no processo de cristalização destes, formando assim
microcristais, que não irão depositar na forma de depósitos tipo
incrustação e nem formarão incrustações verdadeiras (YANG, 2005). Um
exemplo comparando cristais de carbonatos de cálcio antes e depois
deste tipo de tratamento (no caso, com poliacrilatos) pode ser visto nas
Figuras 8 e 9.
Figura 8 - Cristais de carbonato de cálcio em seu estado
“normal” (ampliação: 2000X).
Fonte: Nalco, 2014.
35
Figura 9 – Cristais de carbonato de cálcio, distorcidos,
crescendo lentamente após o tratamento com poliacrilatos
(ampliação 2000X).
Fonte: Nalco, 2014
3.7.1.2. Químicos Inibidores de Depósitos Sedimentares
Químicos inibidores de depósitos sedimentares agem mantendo os sólidos em
suspensão suspensos, não deixando que eles sedimentem, prevenindo a deposição em
superfícies metálicas ou ajudando na remoção dos depósitos deste tipo já existentes.
Existem dois tipos de químicos inibidores de depósitos sedimentares (NALCO, 2009):
Reforçadores de carga: são agentes dispersantes que fazem com que os
sólidos em suspensão sejam repelidos entre si, devido ao aumento de
suas cargas elétricas negativas, fazendo com que não se aglomerem e,
assim, sedimentem, como mostrado nas Figura 10 e 11. Os reforçadores
de carga mais comumente usados são polímeros aniônicos.
36
Figura 10 – Polímero altamente aniônico adsorvido por patícula de sólido em suspensão,
aumentando a carga negativa desta.
Fonte: Nalco, 2009.
Figura 11 – Repulsão entre as partículas de sólidos em suspensão
Fonte: Nalco, 2009.
37
Agentes umectantes: São agentes que diminuem a tensão superficial da
água, inibindo novas formações de depósitos e removendo os já
existentes (possibilidade). Isto mantém as partículas no fluxo de água
de resfriamento, onde elas têm maior possibilidade de serem
removidas do sistema, através de purga ou filtração. Os agentes
umectantes mais usados são os surfactantes.
3.7.1.3. Químicos Inibidores de Corrosão
Químicos inibidores de corrosão atuam interferindo nos mecanismos de
reação, afetando as reações catódicas ou anódicas. Existem três tipos de inibidores
químicos de corrosão (NALCO, 2009):
Inibidores de corrosão anódica: estes tipos de inibidores formam um
filme protetor sobre o ânodo. Embora esse seja um método efetivo
para inibir a corrosão ele possui uma grande desvantagem: no caso
de uma quantidade insuficiente do inibidor anôdico, todo potencial
de corrosão se concentrará nas áreas desprotegidas do ânodo, severas
corrosões pontuais. Os principais químicos inibidores de corrosão
anódica são: molibdênios, ortofosfatos, nitritos e silicatos.
Inibidores de corrosão catódica: estes tipos de inibidores formam um
filme protetor sobre o cátodo. Este tipo de inibidores fornecem uma
redução na taxa de corrosão diretamente proporcional à redução da
reação catódica. Os principais químicos inibidores de corrosão
catódica são: bicarbonatos, polifosfatos, zinco e PSO (Phosphino
Succinic Oligomer).
Inibidores de corrosão geral: estes tipos de inibidores formam um
filme protetor tanto no cátodo como no ânodo. Os principais
químicos inibidores de corrosão geral são: óleos solúveis e triazóis
para cobre.
38
3.7.1.4. Químicos Inibidores de Desenvolvimento Microbiano
Os três tipos de químicos inibidores de desenvolvimento microbiano mais
usados são (NALCO, 2014):
Biocidas oxidantes: oxidam importantes componentes celulares dos
micro-organismos, resultando na morte destes. Os biocidas
oxidantes mais usados são: cloro gasoso e hipoclorito de sódio
(líquido).
Biocidas não-oxidantes: são compostos orgânicos que reagem com
componentes específicos das células dos microrganismos, causando o
envenenamento enzimático deste e, assim, os destruindo. Os biocidas
não-oxidantes mais usados são: sais quartenários de amônio e agentes
organossulfurosos.
Biodispersantes: não matam os microrganismos. Ao invés,
amolecem os biofilmes, desprendendo estes das superfícies metálicas
e assim removendo-os através das purgas no sistema. Em adição,
também previnem a formação dos biofilmes. Os biodispersantes mais
usados são: glicóis alquilênicos e amidas graxas.
3.7.2. Tratamentos Físicos
Os tratamentos físicos da água são aqueles sem a dosagem de químicos,
reduzindo assim os riscos ambientais associados a estes, sendo os mais recentes
métodos de tratamento de água em torres de resfriamento.
É importante ressaltar que a maioria dos sistemas de tratamento físicos,
independente do principal componente, utilizam filtros como parte dos equipamentos
em ambientes muito abrasivos
3.7.2.1.Condicionadores Magnéticos
Os condicionadores magnéticos, normalmente, são instalados em um ponto da
tubulação, na parte externa desta. Quando a água de resfriamento passa por esse
ponto, o campo magnético, perpendicular ao movimento dos íons presentes nessa,
39
produz uma força perpendicular a ambos (movimento e campo magnético) e
proporcional a velocidade, como mostrado na Figura 12. As forças sobre íons de
cargas opostas são em direções opostas. Com isso, há um aumento da frequência
de colisões entre íons de cargas opostas. Estes íons, tendo energia cinética
suficiente, irão formar partículas coloidais ao colidirem. Estas partículas ficarão
suspensas na água, podendo depositar nas superfícies das tubulações ou equipmentos
eventualmente. No entanto, esses depósitos são pouco aderentes, podendo ser
removidos com a própia passagem da água de resfriamento (desde que esta possua
uma velocidade suficiente) e posteriormente retirado da solução através da purga
(CHO; Mc LACHLAN, 2008).
Figura 12 – Íon atravessando a região do condicionador.
Fonte: Cho; Mc Lachlan, 2008.
A maioria dos condicionadores magnéticos são para fluxos pequenos,
tubulações com diâmetro menor 3”. Uma vez que os condicionadores normalmente
são fixados na parte externa das tubulações, se estas tiverem diâmetros acima de 3”,
a força e o tamanho do campo magnético irão diminuir dentro dos tubos (CHO; Mc
LACHLAN, 2008).
Este tipo de tratamento não tem se mostrado muito consistente em parte
pela necessidade de uma velocidade ótima de escoamento da água, uma vez que à
velocidades baixas os íons não possuem a energia cinética suficiente para a
40
formação dos colóides, enquanto que à velocidades altas o tempo de permanência do
volume afetado pelo campo pode ser insuficiente para fazer com que esses íons
mudem suas direções e colidam (CHO; Mc LACHLAN, 2008).
3.7.2.2. Catalisadores Eletroquímicos
Os catalisadores eletroquímicos são os dispositivos de maior eficácia dentro
dos dispositivos hoje existentes para o tratamento físico das águas de resfriamento.
Apesar do uso desses catalisadores para o tratamento de água terem começado na
década de cinquenta, seus maiores avanços aconteceram somente em anos recentes
(CLEAN SYSTEM, 2014).
Os materiais usados como catalisador são ligas metálicas ou de óxidos
metálicos, sendo a composição exata segredo das empresas de tratamento de água ou
então patentes.
Esses catalisadores basicamente se utilizam do princípio eletroquímico da
eletronegatividade.
A eletronegatividade do catalisador é menor do que a eletronegatividade
global da água de resfriamento, fazendo com que este doe elétrons para esta
(CLEAN SYSTEM, 2014). Portanto, quando a água passa pelo catalisador, este
rapidamente muda o potencial de óxido-reducão desta de aproximadamente +
200mV para -500mV. Esta mudança de potencial tem um grande impacto nas
reações que estão ocorrendo no sistema, e é o fator responsável pela neutralização
dos potenciais de oxidação e redução da água das seguintes formas (KUSMIERZ;
BABB, 1999):
A adição de elétrons na água: altera a composição cristalina dos compostos
formadores de incrustação, tornando estas menos duras e de fácil remoção (LEE et al.,
2006); fazem com que os sólidos em suspensão sejam repelidos entre si, devido ao
aumento de suas cargas elétricas negativas, fazendo com que não se aglomerem e,
assim, sedimentem.
A mudança do potencial de óxido-redução da água cria um campo elétrico no
qual a maioria dos micro-organismos não consegue sobreviver. Além de estes
poderem se depositar nas superfícies dos equipamentos, algumas bactérias, como as
41
redutoras de sulfato, produzem bioprodutos corrosivos à maioria dos metais.
A corrosão é inibida devido ao excesso de elétrons na água (suprido pelo
catalisador), uma vez que esse excesso polariza o ânodo (no caso, ferro), elevando
seu potencial de redução para valores acima do qual se estabiliza o cátodo (meio
ao redor, solução aquosa) e, assim, prevenindo a ionização dos átomos de Fe
(inibição da corrosão) (CLEAN SYSTEM, 2014).
Um exemplo de catalisador eletroquímico pode ser visto na Figura 13.
Figura 13 – Exemplo de catalisador eletroquímico.
Fonte: Clean System, 2014.
42
4. METODOLOGIA
4.1. Método de pesquisa: Pesquisa-Ação
O método de pesquisa a ser utilizado nesse trabalho foi o de pesquisa-ação.
A pesquisa-ação é um método de pesquisa o qual foi criado com o objetivo
de suprir a lacuna entre teoria e prática (ENGEL, 2000). Neste tipo de pesquisa, os
pesquisadores desempenham um papel ativo no equacionamento dos problemas
encontrados, no acompanhamento e na avaliação das ações desencadeadas em função
dos problemas (TURRIONI, 2011).
Esse método de pesquisa é cíclico, e é dividido em seis passos, como
mostrado na Figura 14.
Figura 14- Ciclo de pesquisa-ação.
Fonte: Guedes et. al., 2010.
Os ciclos de coleta, realimentação, análise de dados, planejamento das
ações, tomada das ações e avaliação ocorrem periodicamente na medida que ações
43
particulares são planejadas e implementadas.
Segue abaixo uma descrição dos passos (TURRIONI, 2011):
Coleta de dados: A coleta de dados é o primeiro passo desse método. A
geração dos dados vem através do envolvimento ativo no dia-a-dia dos
processos organizacionais relacionados com o projeto de pesquisa-ação. Os
dados não são gerados apenas da participação e observação das equipes no
trabalho, de problemas sendo resolvidos, decisões sendo tomadas, mas também
através de intervenções que são feitas para avançar o projeto.
Realimentação dos dados: Nessa etapa, os dados coletados são compilados,
de maneira a tornar estes disponíveis, de maneira clara, para a etapa de análise.
Análise dos dados: A análise dos dados coletados e compilados é colaborativa,
ou seja, tanto o pesquisador como os membros do time fazem-na juntos.
Planejamento da ação: Após as análises, o pesquisador e os membros do
time definem os quais e os quem das ações, assim como prazo adequado para
cada uma.
Implementação: Após definidas as ações, com seus respectivos donos e
prazos, o time implementa as ações planejadas. Essas ações correspondem
ao que precisa ser feito, ou transformado, para realizar a solução de um
determinado problema.
Avaliação: Após as devidas implementações, é feita uma avaliação sobre os
resultados destas, tanto intencionais quanto não intencionais, uma revisão do
processo para que o próximo ciclo de planejamento e ação possa beneficiar-
se do ciclo completado. A avaliação é a chave para o aprendizado. Sem ela
as ações são implementadas ao acaso, independente de sucesso ou fracasso, e
os erros se proliferam, gerando um aumento da ineficácia e da frustração.
O monitoramento é um meta-passo que ocorre em todos os ciclos. Este
monitoramento consiste em um conjunto de observações e medições de
parâmetros, de modo contínuo ou frequente, seguindo como controle ou
alarme de desvios. Portanto, a oportunidade para a aprendizagem contínua
existe.
44
4.2. Objeto de estudo
4.2.1. Companhia
No trabalho em questão, o estudo foi feito em uma planta produtora de
fungicidas da companhia.
A companhia atua em várias frentes em relação à confiabilidade, desde
iniciativas ligadas à manufatura (confiabilidade operacional), como estratégias bem
estruturadas para a redução de falhas de equipamentos, até as ligadas à corporação
como um todo.
4.2.2. Processo de Resfriamento
A água de resfriamento da torre do presente trabalho alimenta
(constantemente) quatro condensadores barométricos, parte integrante do sistema
de vácuo (ejetores) dos secadores finais do processo, e as camisas desses
(eventualmente), como mostrado na Figura 15.
Figura 15 – Esquema do sistema de resfriamento.
Fonte: Arquivo pessoal
O sistema de resfriamento, que contempla a torre do trabalho em questão, é
considerado como “aberto com recirculação”, uma vez que a torre não possui um
45
sistema de purga (apenas um ladrão para evitar transbordo), não sendo, assim,
totalmente aberto. Isto faz com que não haja uma boa renovação da água, e,
consequentemente, aumente muito a concentração dos sais e proliferação de
microrganismos nesta. A reposição de água é feita pela descarga de uma bomba de
vácuo de selo líquido (sistema de vácuo de um dos filtros do processo, o qual não
opera continuamente) e manualmente por uma válvula esfera no final da linha de
reposição de água bruta, quando o nível da bacia está muito baixo.
Além da alta concentração de sais, devido à falta do sistema de purga, outro
fator contribuinte para a má qualidade da água de resfriamento é o contato direto
desta com o fungicida (pó) e orgânicos voláteis, arrastados junto com o vapor dos
ejetores na etapa de secagem.
46
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1. Fase Preliminar- Contexto e Propósito
Como mostrado no item anterior (3.2.2. Processo de Resfriamento), as condições
do processo, aliadas a falta do sistema de purga, fazem com que a qualidade da água de
resfriamento da torre em questão seja de péssima qualidade. Esta péssima qualidade da
água causa problemas de incrustação e corrosão através das linhas e equipamentos
associados, além de perda de eficiência térmica da torre. Estes problemas trazem
grandes prejuízos à empresa estudada no trabalho, seja pela perda de produção, devido
a paradas não programadas, ou pelo aumento do custo de manutenção gerado.
Um exemplo destes prejuizos pode ser verificado nos Gráficos 3 e 4, os quais
mostram o tamanho da contribuição das bombas de circulação da torre nas perdas de
produção por equipamento em 2013 e 2014 (estas perdas estão associadas a falhas das
bombas causadas, na sua grande maioria, pela corrosão e incrustação dos/nos internos
destas bombas e de suas válvulas de retenção).
47
Gráfico 3 – Lista dos dez equipamentos responsáveis pelas maiores perdas de produção em
2013). As P-910 indicadas na figura são as bombas da torre de resfriamento em estudo.
Fonte: Arquivo pessoal
Gráfico 4 – Lista dos dez equipamentos responsáveis pelas maiores perdas de produção em
2014). As P-910 indicadas na figura são as bombas da torre de resfriamento em estudo.
Fonte: Arquivo pessoal
0
20000
40000
60000
80000
Perda do produto (pó) em toneladas
Equipamentos
2013
0
20000
40000
60000
80000
100000
Perda do produto (pó) em toneladas
Equipamentos
2014
48
Através deste contexto, viu-se a oportunidade da instalação de um sistema de
tratamento de água para a torre de resfriamento em questão, com o propósito de
aumentar sua confiabilidade operacional e dos equipamentos e linhas associadas a ela,
visando reduzir os prejuízos exemplificados.
Foi optado pelo tratamento físico da água de resfriamento, uma vez que este tipo
de tratamento permite trabalhar com um menor volume de purga (o sistema de
tratamento de efluentes da empresa trabalha constantemente com alta demanda,
impossibilitando receber maiores demandas extras para serem tratadas).
5.2. Coleta de dados
Os dados coletados nesta primeira etapa do ciclo da pesquisa-ação foram algum
parâmetros físico-químicos chaves, tanto da água de circulação como da água de
reposição da torre (água bruta). Estes parâmetros foram: pH, dureza, teor de ferro,
alcalinidade total, sílica, TDS, cloretos, sólidos suspensos e contagem microbiológica.
As amostras foram coletadas durante duas semanas, dia sim dia não, pelos
operadores do segundo turno da área de utilidades, não havendo nesse período nenhuma
anormalidade que afetasse tal amostragem.
Após as duas semanas, a empresa contratada responsável pelo tratamento de água
realizou a análise das amostras em seu laboratório.
5.3. Feedback dos dados
A empresa responsável pelo tratamento de água entregou os resultados das
análises com valores médios dos parâmetros físico-químicos da água, já comparados
com os valores limites recomendados pela mesma. As Tabelas 4 e 5 mostram os
resultados.
49
Tabela 4 – Resultado das análises da água de reposição, comparado com os respectivos limites
recomendados
Fonte: Arquivo pessoal
Tabela 5 – Resultado das análises da água de circulação, comparado com os respectivos limites
recomendados
Fonte: Arquivo pessoal
5.4. Análise dos dados
A partir dos resultados obtidos, foi feita a análise dos dados para decidir como
seria o tratamento da água. A análise levou as seguintes conclusões:
Apesar da água de reposição estar com alta concentração de sílica, a
companhia preferiu não realizar o tratamento da água de reposição, uma
vez que um eficiente tratamento da água de circulação já compensaria
estas altas concentrações. Entretanto, uma alta concentração de sílica na
água de reposição impediu trabalhar em maiores ciclos de concentração.
50
Para a correção dos limites ultrapassados na água de circulação, o
melhor tratamento seria a partir de um sistema composto de: controlador
de purga, composto por um condutivímetro e válvula solenóide (controle
da condutividade, TDS e ciclo de concentração); válvula controladora de
nível to tipo bóia (reposição automática da água), catalisador
eletroquímico (diminuição dos potencias de incrustação e corrosão da
água, além de ajudar no controle microbiano), pastilhas de biocida
(controle microbiano), filtro de areia automático (remoção das partículas
em suspensão e proteção do catalisador). Devido o pH estar apenas 0,25
acima do limite superior da faixa de controle, apenas a instalação do
controlador de purga iria ser o suficiente para esta correção.
A Figura 16 mostra um esboço da infraestrutura do sistema de tratamento.
Figura 16 – Infraestrutura do sistema de tratamento de água da torre de resfriamento
Fonte: Arquivo pessoal
51
Para uma maior eficácia do tratamento, alguns cálculos foram feitos como o de
ciclo de concentração máximo (de acordo com as condições operacionais), ciclo de
concentração máximo em sílica, ciclo de concentração ideal (com base no Índice de
Puckorius) e a vazão de água a ser filtrada (filtração lateral)
5.4.1. Ciclo de concentração máximo de acordo com as condições
operacionais
Desde que as perdas indesejáveis de fase líquidas (vazamentos,
transbordamentos, utilizações não previstas) sejam nulas (P = 0), o valor do ciclo de
concentração máximo será obtido com o fechamento da descarga (D = 0). Segundo a
Equação 7
𝒙 =𝑹
𝑳=
𝑬 + 𝑨 + 𝑫 + 𝑷
𝑨 + 𝑫 + 𝑷
Substituindo:
𝒙 =𝑬+𝑨
𝑨 (16)
Substituindo as Equações 3 e 4 em:
𝒙 =𝟏,𝟕𝟑.𝟏𝟎−𝟑.𝑸.∆𝑻+𝒇𝑨.𝑸
𝒇𝑨.𝑸 (17)
Rearranjando:
𝒙 =𝟏,𝟕𝟑.𝟏𝟎−𝟑
𝒇𝑨 . ∆𝑻 + 𝟏 (18)
Onde:
𝒇𝑨= Fator de perda por arraste
∆𝑻= Diferença entre a temperatura da água quente de entrada e a água fria de
saída.
52
Considerando 𝐟𝐀= 1,5.10-3
e ∆𝐓 = 6 °C (40-34):
𝒙 = 𝟖
Portanto, o ciclo de concentração máximo considerado para o tratamento foi de
8.
5.4.2. Ciclo de concentração máximo em sílica
Atualmente, não existe um sistema de purga, o que reflete na alta concentração
de sílica na água de circulação (389 ppm, agravada pela falta de um sistema controlado
da água de reposição, que possui uma alta concentraçao de sílica, 50 ppm),
ultrapassando em muito o limite de 150 ppm. Esta presença excessiva de sílica na água
de circulação pode levar a formação de silicatos de cálcio e/ou magnésio, além de
sílicas coloidais.
O ciclo de concentração máximo em sílica pode ser calculado usando a
Equação 7. Substituindo os valores:
𝑥 =150
50= 3
5.4.3. Ciclo de concentração ideal com base no índice de estabilidade
Considera-se como ciclo de concentração ideal aquele que conduz a níveis de
concentração de alcalinidade e dureza cálcica capazes de produzir um índice de
Puckorius (PSI) numa faixa entre 6,2 – 6,8, como mostrado na Tabela 3 (página 32).
A partir dos resultados obtidos para a água de reposição e de medidas de
temperatura da água na entrada e na saída no sistema, temos:
Alcalinidade total (AT) =100 ppm
53
Dureza cálcica (DC) = 51 ppm
Sólidos totais dissolvidos (TDS) = 296 ppm
Temperatura média da água no sistema (T) = 37 °C
Calculando-se os valores de pHs, pHeq e PSI, usando as Equações 12 e 15, para
cada ciclo de concentração, obtemos a Tabela 6
Tabela 6 – Valores de pHs, pHeq e PSI para cada ciclo de concentração.
PARÂMETRO/CICLO 1 2 3 4 5
AT (ppm) 100 200 300 400 500
DC (ppm) 51 102 153 204 255
TDS (ppm) 296 592 888 1184 1480
T (°C) 37 37 37 37 37
pHs 8 7,4 7,1 6,9 6,7
pHeq 7,5 7,9 8,2 8,4 8,5
PSI 8,5 6,9 6 5,4 4,9
Fonte: Arquivo pessoal
Portanto, poderíamos considerar como um ciclo de concentração ideal para o
sistema um ciclo de concentração entre 2 e 3. No entanto, como o sistema será tratado,
poder-se-a trabalhar com ciclos maiores, sendo escolhido para o início do tratamento
um ciclo de concentração de 3. Com o decorrer do tratamento, dependendo da resposta
do sistema, o ciclo será aumentado, uma vez que tratamentos físicos de água
conseguem trabalhar com ciclos mais elevados.
Considerando um ciclo de 3 para o começo do tratamento, este foi controlado
pelo uso do sistema automático de purga. Sendo a condutividade da água de reposição
do sistema igual a 296 ppm, para a obtenção de um ciclo de 3, segundo a Equação 7, o
valor de TDS na água de circulação deverá ser mantido em torno de 888 ppm, o que
equivale a um valor de condutividade de 1184 S/cm, de acordo com a Tabela 1, que
será “setado” no condutivímetro.
A partir dos resultados obtidos para a água de circulação, podemos calcular o
índice de Puckorius, que nos mostrará o potencial corrosivo e incrustante da água de
resfriamento atual em relação ao sistema ferro-carbonato de cálcio. Seguindo:
54
Alcalinidade total (AT) = 430 ppm
Dureza cálcica (DC) = 400 ppm
Sólidos totais dissolvidos (TDS) = 2340 ppm
Temperatura média da água no sistema (T) = 37 °C
Calculando-se os valores de pHs, pHeq e PSI, usando as Equações 12 e 15,
obtemos:
pHs = 6,6
pHeq = 8,4
PSI = 4,8
Segundo Tabela 3, a água possui intensa formação de incrustações.
5.4.4. Vazão de água a ser filtrada
A vazão de água a ser filtrada por filtração lateral é dada pela Equação 19
(PEREIRA, 2007):
𝐹 =2,3 𝑉
𝑡. log
𝑐1
𝑐2− 𝐿 (19)
Onde:
F = Vazão de filtração (m3/h)
V = Volume de água no sistema (m3)
t = Tempo de filtração (h)
L = Perda de fase líquida (m3/h), sendo L= A+D+P
C1 = Concentração inicial de sólidos suspensos (ppm)
C2 = Concentração de sólidos suspensos após a filtração (ppm)
Segundo a Tabela 5 a concentração de sólidos suspensos na água de circulação
deve cair de 90 ppm para um valor de 10 ppm.
55
Sabendo que a vazão de circulação do sistema é de 150 m3/h, o volume estático
é de 68 m3, o ciclo de concentração inicial para o tratamento será de 3, a diferença entre
a temperatura da água quente de entrada e a água fria de saída é de 6 °C e substituindo a
Equação 3 em 8 e esta nova na Equação 20 , obtemos:
𝐹 =2,3 𝑉
𝑡. 𝑙𝑜𝑔
𝑐1
𝑐2−
1,73.10−3.𝑄.∆𝑇
𝑋−1 (20)
Substituindo os valores e considerando uma filtração de 8h (considerando 3
retrolavagens diárias):
𝐹 =2,3 68
8. log
90
9−
1,73.10−3. 150. 6
3 − 1
Portanto:
𝐹 = 18,8 𝑚3/ℎ
Ou seja:
𝐹
𝑄=
18,8
150. 100% = 12,5%
5.5. Planejamento das ações
Após as análises dos dados, foi montado o planejamento das ações, com todos
os diretamente envolvidos, estipulando responsáveis e prazos para cada tarefa, para
viabilizar o sistema de tratamento da água da torre. A Figura 17 mostra o plano de
atividades.
56
Figura 17 – Plano de atividades.
Fonte: Arquivo pessoal
5.6. Implementação
A implementação do sistema de tratamento de água da torre ocorreu de acordo
com a etapa de planejamento, tendo sido cumpridos todos os prazos estipulados para
cada tarefa.
Para o start up, foi estipulado um set de condutividade de 1184 S/cm (ciclo de
concentração igual a 3) e uma filtração lateral de 12,5% da água de circulação (a priori
com apenas um filtro).
Para o monitoramento, além do check list diário criado (verificar a passagem de
água no catalisador, verificar quantidade de pastilha de biocida restante, realizar leitura
do condutivímetro e retirada de uma amostra da água de circulação uma vez por turno
57
para análises de pH e condutividade), foi acordado visitas semanais da empresa ao site,
nas quais esta verificaria os equipamentos do comodato, faria medições em campo de
pH e condutividade, retiraria amostras da água de circulação e reposição para análise
(resultados mensais dos parâmetros anteriormentes definidos) e faria a calibração do
condutivímetro, além de possíveis ajustes no set de condutividade.
5.7. Avaliação
Um mês após o start up, foi gerado o primeiro relatório pela empresa
responsável pelo tratamento. A Tabela 7 mostra os resultados para a água de circulação.
Tabela 7 – Resultado das análises da água de circulação, após um mês de tratamento,
comparado com os respectivos limites recomendados (ciclo de concentração igual a 3).
Fonte: Arquivo pessoal
Os resultados mostram uma grande melhora da qualidade da água, estando
apenas a sílica logo acima do limite recomendado. No entanto, devido a presença do
catalisador, os depósitos de sílica e carbonato foram logo removidos pelo próprio fluxo
da água de circulação.
Entretanto, o catalisador também foi responsável, em parte, por furos causados
em pontos da tubulação que liga todo o sistema de resfriamento: as incrustações que
estavam há anos em pontos da linha, contribuiram para que estes tivessem suas
espessuras reduzidas significamente (corrosão sob depósito). Com o amolecimento
dessas incrustações e o fluxo da água de circulação, essas incrustações foram
arrastadas, junto com restante de aço em tais pontos, o que acarretou em pequenos
58
vazamentos. Esses vazamentos foram sanados, através de solda, e a tubulação ficou
livre das incrustações que a tempos estavam restringindo em parte o fluxo na linha.
A partir dos resultados obtidos, foi decidido aumentar o ciclo de concentração
de 3 para 5, alterando o set de condutividade de 1184 S/cm para 2185 S/cm, visando
reduzir o número de purgas (devido a capacidade da estação de tratamento de efluentes,
ETE) e diminuir a reposição de água. Apesar de a análise do PSI apontar para uma
intensa formação de incrustações de carbonato para um ciclo de concentração já acima
de 3, e a concentraçao de sílica aumentar bastante para um ciclo de 5, acreditou-se que
o sistema de tratamento ainda assim manteria-se eficiente. Mesmo mudando o ciclo de
concentração, foi mantida a mesma vazão de filtração, uma vez que a qualidade da água
foi melhorada.
Após mais um mês de tratamento, foi gerado o segundo relatório pela empresa
responsável pelo tratamento. A Tabela 8 mostra os resutados para a água de circulação.
Tabela 8 – Resultado das análises da água de circulação, após dois meses de tratamento,
comparado com os respectivos limites recomendados (ciclo de concentração igual a 5).
Fonte: Arquivo pessoal
Os resultados mostram uma maior concentração dos parâmetros físco-
químicos estudados, tendo os limites de sílica, alcalinidade total, TDS e sólidos
suspensos ultrapassados. Apesar do aumento da concentração, a água ainda se manteve
com baixo potenciais de incrustação e corrosão, devido a presença do catalisador. O
pH, apesar de ter aumentado, manteve-se dentro da faixa de controle. No entanto, foram
necessárias 4 retrolavagens diárias pelo filtro, ao invés de 3, em todos os dias do mês
59
analisado.
A partir dos resultados obtidos, foi decidido manter o ciclo de concentração de 5
para o próximo mês de tratamento, uma vez que um novo aumento do ciclo poderia,
além de ultrapassar o limite do pH, aumentar ainda mais o número de retrolavagens,
prejudicando tanto a ETE como a própria filtração (aumento do tempo morto para a
retrolavagem, possível aumento de sólidos suspensos e, portanto, possíveis danos ao
catalisador e piora da qualidade da água).
Durante os 3 meses de tratamento (considerando como o primeiro mês Janeiro),
não foram registradas ocorrências de falhas das bombas de circulação da torre, o que
representa uma redução da perda de produção durante o mesmo período em 2014 de
7800 toneladas, como mostrado no Gráfico 5.
Gráfico 5 – Perda de produção devido as bombas de circulação da torre no primeiro quarto de
2014 e 2015
Fonte: Arquivo pessoal
Após os 3 meses de tratamento, houve um aumento da eficiência térmica. O
cálculo da eficiência térmica, em porcentagem, é dado pela Equação 26 (OLIVEIRA,
2010):
𝜂 = (𝑇1−𝑇2
𝑇1−𝑇𝑏𝑢) . 100 (21)
Onde:
0
2000
4000
6000
8000
10000
ANO 2014 ANO 2015
Toneladas
PERDA DE PRODUÇÃO DEVIDO AS BOMBAS DE CIRCULAÇÃO DA TORRE NO PRIMEIRO QUARTO DE
2014 E 2015
60
Eficiência energética
T1= Temperatura de entrada da água na torre
T2= Temperatura de saída da água na torre
Tbu= Temperatura de bulbo úmido do ar ambiente
Antes do tratamento:
𝜂 = (40−34
40−24) . 100 =37,5%
Após o tratamento, a temperatura de saída da água na torre caiu de 34 °C para
32 °C em média. Calculando a eficiência, considerando uma mesma temperatura
média de bulbo úmido de 24 °C, temos:
𝜂 = (40−32
40−24) . 100 =50%
Portanto, houve um aumento da eficiência térmica da torre de resfriamento em
12,5 %.
61
6. CONCLUSÃO
A metodologia empregada neste trabalho (pesquisa-ação) mostrou-se interativa
e dinâmica, tendo sido uma ferramenta de grande valia para o autor, auxiliando no
gerenciamento do projeto para a implementação do tratamento de água na torre de
resfriamento.
Após 3 meses de tratamento da água de circulação da torre de resfriamento em
estudo, pôde-se concluir que o sistema de tratamento de água escolhido (tendo como
principal elemento um catalisador eletroquímico) foi eficaz para o tratamento da torre,
resultando em um aumento da eficiência térmica da torre em 12,5%, removendo
incrustações existentes e garantindo uma boa qualidade da água de circulação (baixos
potenciais de incrustação e corrosão) até um ciclo de concentração igual a 5 (o qual só
não pôde ser maior devido a qualidade da água de reposição e a baixa capacidade da
ETE). Vale ressaltar a importância da filtração lateral em sistemas como o da torre de
resfriamento em questão, o qual possui grande concentração de sólidos suspensos.
62
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALPINA. Torres de Resfriamento de Água . Artigos e Pubilcações
Alpina Equipamentos. Disponível em:
< http://www.alpina.com.br/novoe/alpina_torres_concreto.pdf >. Acesso em 10 Set.
2014.
CHO . Y. I.; Mc LACHLAN. Physical water treatment for cooling towers. In: Cooling
Technology Institute Annual Conference, 2008, Houston. Disponívem em: <
https://estatusa.com/uploads/PWT_For_Cooling_Towers.pdf>. Acesso em: 13 Set.
2014.
CLEAN SYSTEM. Catalisadores eletroquímicos. Disponível em:<
http://www.cleansystem.com.br/home/produtos/catalisadores/>. Acesso em: 13 Set.
2014.
DUAN. X.; WILLIAMSON.J.L.; McMORDIE.K.L; BOYD.B.K.. Side Stream
Filtration For Cooling Towers. Disponível em: <
http://energy.gov/sites/prod/files/2013/10/f3/ssf_cooling_towers.pdf>. Acesso em: 8
Abr. 2015
ENGEL, G. I. Pesquisa ação. Educar. Editora da UFPR. Curitiba: Universidade
Federal do Paraná, 2000. P.181-191.
ENGINEERINGOPERATIONS. Fouling of heat exchangers what exactly is fouling
in heatexchangers?. Disponível em: <
http://engineeringoperations.blogspot.com.br/2010/12/fouling-of-heat-changers-what-
exactly.html>. Acesso em: 13 Out. 2014.
FOGAÇA, J. V. S. Utilização da ferramenta QC Story para redução do consumo
de água em torres de resfriamento do tipo contracorrente. Lorena: Universidade de
São Paulo, 2013. 79 p. Trabalho de Conclusão de Curso.
FRAYNE, C. Cooling Water Treatment - Principles and Practice. Chemical
Publishing Company Inc. 1999. 512p.
63
GENTIL, V. Corrosão. 4 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2003. 341 p.
GONDIM, N. M. Alternativas para redução do consumo de água e energia em
sistemas de água de resfriamento e geração de vapor em refinarias de
petróleo do Brasil. Rio de Janeiro: Universidade Federal do Rio de Janeiro,
2014. 195 p. Tese de Mestrado.
GUEDES, F. N. et al. Projeto conceitual de componentes de um forno industrial
por meio da integração entre a engenharia reversa e o DFMA. Gest. Prod., São
Carlos, v. 17, n. 3, p. 497-511, 2010.
Joel E. Kusmierz; George R. Babb. COOLING TOWER WATER TREATMENT
SYSTEM. US 005858219A, 12 Jan. 1999.
KITZMAN, K. A.; MAZIARZ, E. F.; BLUMENSCHEIN, B. C. D. B.; SMITH,
A.
Chemical vs. Non-chemical Cooling Water Treatments – a Side-by-Side Comparison. Disponível em < http://cdn2.hubspot.net/hub/241918/file-
31103680- pdf/docs/alcoa_report_chemical_vs._non-chemical_evaluation.pdf>. Acesso em 13 Set.
2014.
LEE, G. J.; TIJING, L. D.; PAK, B. C.; BAEK, B. J.; CHO, Y. I. Use of catalytic
materials for the mitigation of mineral fouling. International Communications in
Heat and Mass Transfer, , v. 33, n.1, p. 14–23, Jan. 2006. Disponível em: <
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0735193305001545>. Acesso em:
13 Set.2014.
MACHADO, L. P. Reúso de esgotos sanitários tratados para fins de água de
reposição em torres de resfriamento – sistemas semi-abertos. Rio de Janeiro:
Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2004 . 181 p. Tese de Mestrado
McCABE, W. L.; SMITH, J. C.; HARRIOT, P. Unit operations of chemical engineering.
7th
ed. New York: McGraw Hill. 2005. 1114 p.
MEIO FILTRANTE. Água de resfriamento, porquê mantê-la limpa? Disponível
em:
<http://www.meiofiltrante.com.br/materias.asp?action=detalhe&id=72>. Acesso em:
13 Set. 2014.
MELLO, L. C. Influência de variáveis de processo no desempenho de torre
64
de resfriamento. São Paulo: Universidade de São Paulo, 2008. 138 p. Tese de
Mestrado.
NALCO. Cooling Water Treatment. Catálogo. Disponível em:
< http://www.nalco.com/documents/Brochures/B-34.pdf>. Acesso em 10 Set. 2014.
NALCO COMPANY. The Nalco Water Handbook. 3rd
ed. New York: McGraw-
Hill Professional. 2009. 1280 p.
OLIVEIRA, V. F. Diagnóstico de eficiência energética de uma torre de
resfriamento de água da Arcelomittal INOX Brasil. Belo Horizonte: Universidade
Federal de Minas Gerais,2010. 110 p. Dissertação de Pós-Graduação.
PENNA, K. S. F. Remoção do óleo do meio filtrante no processo de retrolavagem
em filtros de areia. Belo Horizonte: Universidade Federal de Minas Gerais, 2009. 96
p. Tese de Doutorado.
PEREIRA, C. A. Tecnologia Mais Limpa Aplicada ao Tratamento de Água em
Sistemas de Resfriamento Abertos com Recirculação Rio de Janeiro: Universidade
do Estado do Rio de Janeiro, 2007. 76 p. Tese de Mestrado.
STANFORD III, W.H. HVAC Water Chillers and Cooling Towers
Fundamentals, Application, and Operation. New York: Marcel Dekker, Inc., 2003.
295 p.
TURRIONI, J. B.; MELLO, C. H. P. Pesquisa-ação na engenharia de produção.
Itajubá: Universidade Federal de Itajubá, 2007. 150 p
YANG, N. Physical Conditioning for Scale Prevention during Desalination by
Reverse Osmosis. Göteborg: Chalmers University of Technology, 2005. 60 p.
Master’s Thesis.
