2ª edição
Utilidades
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Curso de Formaçãode Técnicos de Operação Jr
do Abastecimento
UTILIDADES© 2008 Petrobras – Petróleo Brasileiro S.A.
Todos os direitos reservados
Petróleo Brasileiro S.A. - PETROBRASAvenida Chile, 65 – 20º andar – Ala Norte SALA 2001CEP: 20031-912 – Rio de Janeiro – RJ
Revisado e Atualizado por:FERNANDO POCHMANN DE MAGALHAESUN REDUCREDUC/ER
EDUARDO GOMES SANTOSUN REDUCREDUC/ER
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SUM
ÍndiceINTRODUÇÃO 08(a) Energia elétrica 08(b) Água 09(c) Vapor 10(d) Ar comprimido 11
SISTEMAS ELÉTRICOS 12(a) Introdução 12(b) Subestação de recepção 12(c) Níveis de tensão 13(d) Transformador com comutador de tapes automático 13(e) Transformadores de medição 14(f) Transformadores de proteção 14(g) Chaves seccionadoras 15(h) Disjuntores de alta-tensão 15(i) Fontes Geradoras 16(j) Turbogeradores 17(l) Sistema de excitação 18(m) Formas de excitatriz 18(n) Barramentos distribuidores de carga 19(n.1) Descrição geral 19(n.2) Barra de sincronismo 19(n.3) Reatores da barra de sincronismo 19(n.4) Painel dos alimentadores de 13,8kV 20(n.5) Sincronismo 20(o) Fator de potência 23(o.1) Fundamentos teóricos 23(o.2) Conceito 24(p) Subestação de área 25(p.1) Descrição 25(p.2) Painéis de distribuição de carga 26(p.3) Primário seletivo 26(p.4) Secundário seletivo 27(p.5) Configuração “U” fechado 27(p.6) Configuração “U” aberto 27(p.7) Configuração “LA” ou “LB” 28(q) Sistema de corrente contínua 28
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Índice(q.1) Descrição 29(r) Sistema de UPS (inversores) 30(r.1) Descrição 30(s) Relés de proteção 31(s.1) Seletividade 32(s.2) Coordenação 32(s.3) Principais relés usados na proteção 32(t) Rejeição de carga 34(t.1) Introdução 34(t.2) Descarte elétrico 34(u) SCMD 35(u.1) Introdução 35(u.2) Objetivos do SCMD 35(u.3) Funções do SCMD 36(u.4) Diferenças entre SDCD e SCMD 36
SISTEMAS DE ÁGUAS 37(a) Captação 37(b) Impurezas da água e suas conseqüências 38(c) Tratamento geral da água 42(c.1) Clarificação 43(1.1) Impurezas 43(1.2) Coagulação e tipos de coagulantes 43(1.3) Floculação 43(1.4) Sedimentação 43(1.5) Funcionamento de um clarificador 44(1.6) Teste de jarro 46(c.2) Desinfecção 48(2.1) Processos físicos 49(2.2) Processos Químicos 49(2.2.1) Cloração 49(2.2.2) Fatores que influenciam na desinfecção 51(2.2.3) Influencia do pH na reação 51(2.2.4) Teoria do break-Point 51(2.2.5) Pré-cloração 52(2.2.6) Pós-cloração 52(c.3) Filtração 52(c.4) Água para fins industriais 54(4.1) Descloração 55(4.2) Desmineralização 55(4.3) Osmose reversa 60(4.4) Ultrafiltração 61(4.5) Reuso nas estações de tratamento de água 62(c.5) Tratamento de Efluentes Hídricos 65(5.1) Processos Físicos 66(5.2) Processos Biológicos 67(5.3) Reuso nas estações de tratamento de efluentes 69(5.4) Reflexão 70(d) Tratamento de água para caldeira 71(d.1) Desaeração e Tratamento de condensado 72
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Índice(tratamentos externos)(d.2) Tratamento Interno 73(d.3) Parâmetros de controle 74(d.4) Alimentação de produtos químicos 74(e) Tratamento de água de refrigeração 74(e.1) Sistemas abertos 75(e.2) Sistemas semi-abertos de recirculação 76(e.3) Sistemas fechados 76(e.4) Termos usuais em sistemas de refrigeração 76(e.5) Não conformidades na água de refrigeração 77(e.6)Objetivos dos tratamentos 83
SISTEMAS TÉRMICOS E DE AR COMPRIMIDO 89(a) Sistemas Térmicos 89(a.1) Vaporização da água 89(a.2) Propriedades do vapor d’água 90(a.3) Cuidados no manuseio do vapor 90(a.4) Distribuição do vapor 92(a.5) Condensado 98(a.6) Isolamento térmico 104(b)Ar comprimido 105(b.1) Ar comprimido para instrumentos 105(b.2) Ar comprimido de serviço 106
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 107
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FigurasSISTEMAS ELÉTRICOS
Figura 1 Diagrama geral 12Figura 2 Vista geral da subestação receptora 13
Figura 3 Vista do transformador de força 13
Figura 4 Vista do transformador de potencial 14Figura 5 Vista do transformador de corrente 14Figura 6 Vista da chave seccionadora 15Figura 7 Vista do disjuntor 15
Figura 8 Vista geral da turbina 16Figura 9 Vista da turbina de extração/condensação desmontada 16
Figura 10 Turbinas de alta pressão 17Figura 11 Diagrama simplif icado do sistema de excitação 19Figura 12 Seqüência de fases 20Figura 13 Ângulo de fases 21
Figura 14 Freqüência 21
Figura 15 Tensões 22Figura 16 Fator de potência 23Figura 17 Vista geral da subestação de processo 26
Figura 18 Primário seletivo 26Figura 19 Configuração “U” fechado 27Figura 20 Configuração “U” aberto 28Figura 21 Configuração “LA” ou “LB” 28Figura 22 Banco de baterias 29Figura 23 Esquema do banco de baterias 29Figura 24 Esquema do UPS 30Figura 25 Exemplo de tela do SCMD 35Figura 26 Arquitetura da rede do SCMD 36
SISTEMAS DE ÁGUAS
Figura 1 Esquema geral do tratamento da água em uma refinaria
42
Figura 2 Detalhe do desaerador 72Figura 3 Deposição de CaCO3 85
SISTEMAS TÉRMICOS E DE AR COMPRIMIDO
Figura 1 Vaporização da água 89Figura 2 Jato de vapor 90Figura 3 Balanço termelétrico – diagrama simplif icado 98Figura 4 Diagrama de bloco da central de ar comprimido 106
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Tabelas
SISTEMAS ELÉTRICOS
Tabela 1 Vantagens dos relés de proteção 31
SISTEMAS DE ÁGUAS
Tabela 1 As impurezas e suas conseqüências 39Tabela 2 Impureza versus tratamentos 40
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[Introdução:
(a ) Energi a El étrica
Energia é a propriedade que permite a um sistema realizar trabalho. A energia pode
assumir várias formas: potencial, mecânica, química, eletromagnética, elétrica, calorífica,
etc. Estas várias formas de energia podem ser transformadas umas nas outras.
A energia elétrica, ou eletricidade, é a designação dos fenômenos em que estão envolvidas
cargas elétricas. Ela pode ser gerada através de fontes renováveis de energia (a força das
águas e dos ventos, o sol e a biomassa), ou de fontes não renováveis de energia
(combustíveis fósseis e nucleares). No Brasil, onde é grande o número de rios, a opção
hidráulica é mais utilizada para geração de energia, sendo apenas uma pequena
parte gerada a partir de combustíveis fósseis ou em usinas termelétricas.
As partes principais de uma usina hidrelétrica são:
A barragem, que tem por função barrar o fluxo da água do rio, represando-
a;
As comportas e o vertedouro, que controlam o nível de água da represa,
evitando transbordamentos; e
A casa de máquinas, onde estão instalados os geradores acoplados às
turbinas.
Para transformar a força das águas em energia elétrica, a água represada passa por dutos
forçados, gira a turbina que, por estar interligada ao eixo do gerador, faz com que este
entre em movimento e gere a eletricidade.
No caso de uma usina termelétrica, temos uma combinação diferente. Temos um gerador
de vapor de alta pressão, onde é queimado o combustível para a produção do vapor. O jato
de vapor extraído da caldeira gira a turbina que, por estar interligada ao eixo do gerador, faz com
que este entre em movimento e gere a eletricidade.
Após ser gerada, a energia elétrica é conduzida por cabos até a subestação elevadora,
onde transformadores elevam o valor da tensão elétrica. Nesse nível maior de tensão, a
eletricidade pode percorrer longas distâncias pelas linhas de transmissão, sustentadas por torres,
até chegar nas proximidades de onde será consumida.
Antes disso, a energia elétrica precisa ser reduzida na subestação abaixadora através de
transformadores. Em seguida, ela percorre as linhas de distribuição, que podem ser subterrâneas
ou aéreas. Finalmente, a energia elétrica é transformada novamente para os padrões de consumo
local e chega às residências e a outros estabelecimentos.
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(b) Água
O aumento populacional e o desenvolvimento humano impõem uma necessidade cada
vez maior dos recursos hídricos. O controle e a posse dos corpos d’água geram
inúmeros conflitos, uma vez que a água limita o desenvolvimento sustentável em
função de ser um recurso natural, não-renovável e finito.
O uso irracional da água em quantidade superior ao volume disponível gera escassez,
principalmente porque a qualidade determina seu uso, em especial o abastecimento da
população. Por esse motivo, tem crescido a utilização de águas subterrâneas para uso
não residencial, na totalidade ou em conjunto com as águas superficiais.
Indubitavelmente, sem os recursos hídricos não existe vida e conseqüentemente da
água depende o desenvolvimento sócio-econômico de uma região. Ela está presente
em toda a biosfera, no solo, no ar e nos seres vivos. Presume-se que cerca de um
milhão e meio de Km3 no nosso planeta sejam formados por água, sendo que desse
total somente 3% são água doce, e 97% correspondem à água salgada. A distribuição
de água doce, por sua vez, dá-se na seguinte proporção: 77,2% formam as calotas
polares, 22,4% águas subterrâneas e somente 0,4% formam os rios e lagos.
Os rios, mares e oceanos não reconhecem fronteiras, e são fontes inesgotáveis de
vida. A água precisa ser entendida como bem finito e escasso, cuja disponibilidade
vem decaindo ao longo dos anos em função do descaso com a sua utilização racional.
A água é um bem público, devendo ser reconhecida a importância da proteção e
preservação de sua qualidade por toda a sociedade, que deve racionalizar o uso
evitando-se desperdícios. O instrumento público que habilita a utilização desses
recursos hídricos pelas indústrias chama-se “outorga”.
Os aumentos da população e do consumo confrontam com o fato de a quantidade de
água disponível ser limitada. A água doce está se tornando um recurso cada vez mais
escasso e valioso, especialmente pelo volume de resíduos nela lançados, provocando
aumento da poluição e dificultando cada vez mais sua reutilização. A conseqüência
direta é a oneração dos custos de produção das empresas, dos orçamentos
governamentais e comprometimento do bem estar da população. Vale ressaltar, que
em alguns casos indústrias limitam expansão e produção por falta de água. Em outros,
países investem cifras elevadíssimas em processos de dessalinização de água para a
produção de água potável. Os processos naturais não são suficientes para purificar a
água, havendo a necessidade de se tratar todos os efluentes líquidos, antes do
lançamento nos corpos de água receptores.
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E é nesse contexto que cresce a importância dos sistemas de tratamento de águas e
efluentes. Com o uso racional dos recursos hídricos, evitam-se desperdícios e
promove-se o reuso dos efluentes de processo. Busca-se o menor despejo possível,
atendendo-se aos padrões pré-determinados conforme a legislação ambiental –
registre-se, cada vez mais restritiva.
Abaixo, alguns exemplos de utilização de água na indústria petroquímica:
· Combate a incêndio – utiliza-se a própria água bruta (sem tratamento);
· Reposição dos circuitos de resfriamento (make up) – água bruta submetida à
pré-cloração e clarificação.
· Água industrial para processos e serviços – água bruta submetida à
pré-cloração, clarificação, filtração e correção de pH;
· Água potável – água bruta submetida à pré-cloração, clarificação, filtração,
pós-cloração e correção de pH;
· Água desmineralizada para reposição das caldeiras – água bruta submetida a
processos que visam reduzir os íons dissolvidos presentes na água.
(c) Vapor
Devido a sua grande disponibilidade e não toxidez, o vapor d’água é largamente utilizado
na indústria. O vapor tem calor específico (c) quase igual à metade do da água, o
dobro do ar e igual ao da amônia. Isto quer dizer que o calor específico do vapor é
relativamente alto, tendo por isso mais capacidade de armazenar energia térmica em
temperaturas praticáveis do que a maioria dos gases. Uma vez que a quantidade
de energia térmica (q) é:
q = m . c . t
Então, quanto maior o valor de (c) maior será (q).
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Os principais usos do vapor d’água na indústria são:
· Acionamento de bombas, turbogeradores, compressores, ventiladores, etc.;
· Aquecimento de produtos em tanques e linhas;
· Arraste em ejetores para produção de vácuo;
. Arraste em torres de fracionamento;
· Selagem;
· Refrigeração em equipamentos específicos;
· Segurança no abafamento de fogo nos fornos.
(d) Ar comprimido
O ar comprimido é uma das formas mais antigas que o homem conhece de
transmissão de energia para ampliar sua capacidade física. O reconhecimento da
existência física do ar bem como a sua utilização para o trabalho são comprovados
há milhares de anos.
Dos antigos gregos provém a expressão “pneuma”, que significa fôlego, vento ou,
filosoficamente, alma. Derivado da palavra “pneuma”, surgiu, entre outros, o
conceito de pneumática, que quer dizer “ciência que estuda o movimento e o
fenômeno dos gases”.
Embora a base da pneumática seja um dos mais antigos conhecimentos do homem
(há mais de 2000 anos), somente após o ano de 1950 ela realmente foi
introduzida na produção industrial. Hoje, o ar comprimido tornou-se indispensável
nos mais diferentes processos industriais. Nenhum outro auxiliar pode ser
empregado de forma tão simples e tão rentável para solucionar problemas de
automação. Por tudo isso, o ar comprimido é um dos elementos de vital
importância na operação de uma refinaria.
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[Sistemas elétricos
(a) Introdução
Em uma refinaria, o acionamento elétrico de equipamentos é utilizado em larga escala,
tendo em vista: (1) fatores econômicos, tais como balanço energético, custo e rendimento e
(2) fatores técnicos, tais como partida imediata e simplicidade de operação. Por questões
de continuidade operacional utilizamos também turbinas a vapor, que são equipamentos de
maior custo operacional e de manutenção.
O sistema elétrico de uma refinaria pode ser dividido nas seguintes áreas: (1)
recepção de energia da concessionária, (2) geração, (3) distribuição e (4)
monitoramento e controle.
Figura 1 – Diagrama geral
(b) Subestação de recepção
Uma instalação petroquímica abrange diversos processos, muitos dos quais de alta
complexidade, que devem ser mantidos continuamente. Evitamos, assim, a
degradação ou a perda de produto, o que levaria a prejuízos financeiros de alto
valor. Para mantermos este processo estável, necessitamos de fontes confiáveis de
energia e flexibilidade operacional. A recepção de energia da concessionária em
conjunto com a geração torna o sistema elétrico mais confiável e flexível.
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Figura 2 – Vista geral da subestação receptora
(c) Níveis de tensão
O recebimento de energia da concessionária normalmente é realizado em níveis de
tensão compreendidos entre 34,5kV e 230kV, enquanto a geração própria é em
13,8kV. Na subestação utilizam-se transformadores de força que rebaixam a tensão de
entrada para 13,8kV para que se possa trabalhar em paralelo.
(d) Transformador com comutador de tapes automático
Devido à flutuação de tensão existente na rede de entrada, os transformadores da
recepção são equipados com comutador de tape automático sob carga. Este termo indica
que a comutação dos tapes de entrada é realizada sem a necessidade da interrupção do
fornecimento de energia para carga. O comutador automático realiza a variação dos
tapes de entrada, para cima ou para baixo, de maneira que a relação de
transformação se mantenha inalterada, levando com isso à não mudança da tensão no
secundário do transformador.
Figura 3 – Vista do transformador de força
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(e) Transformadores de medição
Para possibilitar a medição da energia elétrica consumida, temos que utilizar
equipamentos que rebaixem a tensão e a corrente para valores admissíveis aos
instrumentos de medição. Utilizamos os transformadores de potencial (TP), que reduzem a
tensão para 115V, e os transformadores de corrente (TC), que reduzem a corrente para
5A, através de relações de transformação (RT) apropriadas para a tensão e corrente de
entrada, de maneira que as variações de tensão e corrente ocorridas na rede são sentidas
pelos instrumentos de medição.
(f) Transformadores de proteção
Utilizamos os mesmos transformadores de potencial (TP) e os transformadores de corrente
(TC), usados na medição, diferindo apenas em alguns aspectos construtivos, que em
conjunto com os relés de proteção fazem a proteção do sistema de recepção.
Figura 4 – Vista do transformador de potencial
Figura 5 – Vista do transformador de corrente
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(g) Chaves seccionadoras
Chaves seccionadoras são dispositivos utilizados para isolar um equipamento ou trecho da
rede em casos de indisponibilidade ou falha do equipamento. Deve ser manobrado sem
carga, ou seja, sem corrente, devido às suas características construtivas, que são de
baixa capacidade de interrupção da corrente que pode levar a danificar seus contatos.
Figura 6 – Vista da chave seccionadora
(h) Disjuntores de alta-tensão
São equipamentos construídos com altíssima capacidade de interrupção de corrente, pois
devem ter a capacidade de abertura com carga e também com correntes de falta (curto-
circuito). São utilizados tanto em situação de manobras operacionais quanto na
proteção do sistema em caso de falhas.
Figura 7 – Vista do disjuntor
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(i) Fontes geradoras
Nas centrais termelétricas, no acionamento de geradores de energia elétrica utilizamos
turbinas de grande porte. Essas turbinas, dependendo do tipo, têm controle de rotação e
também controle de pressão ou contrapressão. Quando se trata de turbina de
condensação, isto é, aquelas em que todo o vapor consumido é condensado no
condensador a uma pressão abaixo da atmosférica (vácuo), o controle é feito
praticamente só na rotação.
Nas centrais elétricas das refinarias, e das indústrias em geral, é comum o
emprego de turbinas do tipo extração ou contrapressão e a combinação dos dois
tipos em uma máquina (extração/condensação). Isto se deve ao fato de se ter
necessidade de vapor saturado para aquecimento na área industrial e vapor de média
para acionadores menores.
Normalmente o sistema elétrico é composto por mais de uma unidade geradora de
energia para melhor confiabilidade e flexibilidade operacional. Outro fator importante
na escolha da referida quantidade é a demanda de energia da instalação.
Figura 8 – Vista geral da turbina
Figura 9 – Vista da turbina de extração/condensação desmontada
(j) Turbogeradores PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008
Quali f icAbastQual i f icAbast16
Turbogerador é o nome dado ao gerador de corrente alternada que é impulsionado por uma
turbina a vapor de alta pressão. Essas turbinas são equipamentos complexos dotados de
mecanismos de controle e proteção, tais como o governador de rotação e o sistema de óleo
de lubrificação. As turbinas de alta pressão normalmente utilizadas são as de regime
de condensação/extração e as de contrapressão.
O governador da turbina tem duas funções: (1) controlar a velocidade da turbina quando o
conjunto está operando em vazio ou independente e (2) controlar a carga ativa (kW)
quando o conjunto está operando em paralelo com outra fonte.
Figura 10 – Turbinas de alta pressão
Características
O gerador é construído para operações em lugares cuja altitude máxima seja 1.000m
e temperatura ambiente até 40ºC. Deverá operar em ambiente totalmente fechado e
protegido contra intempéries.
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Cada gerador possui a carcaça hermeticamente fechada, possuindo ventilação própria,
com resfriador de ar acoplado ao gerador. O rotor do gerador está acoplado
diretamente ao eixo da turbina. As características elétricas dos geradores são as
seguintes:
.Gerador trifásico (3 fases) de fechamento em estrela aterrado. Rotor com
velocidade nominal de 3 600rpm e dois pólos. Freqüência nominal de
60Hz, tensão nominal de 13 800V e corrente máxima de estator de
838A.
Capacidade máxima expressa em kVA indica a potência aparente
máxima que a máquina suporta.
Capacidade nominal expressa em kW indica a potência máxima
efetivamente à carga.
Fator de potência igual a 0,8.
(l) Sistema de excitação
Para gerarmos uma tensão nos bornes da máquina é necessário criar um campo
magnético no rotor que cortará as bobinas do estator, gerando assim uma corrente
alternada. Para criarmos esse campo magnético no rotor, conectamos este através
de anéis coletores a uma fonte de corrente contínua. O sistema de excitação se
comporta de duas formas, dependendo da maneira em que opera a máquina:
· Controlar a tensão do gerador quando este está operando em vazio ou
independente;
· Controlar a carga reativa (kVAr) quando a máquina está operando em
paralelo com outra.
(m) Formas de excitatriz
· Gerador de corrente contínua, acoplado ao eixo do gerador;
· Gerador de corrente alternada com campo no estator, instalado internamente
à máquina;
· Excitatriz estática;
· Com fonte externa auxiliar;
· Alimentada pelo próprio gerador. Neste caso, o consumo desta excitatriz é
de aproximadamente 3% da carga da máquina, e necessita de excitação
inicial.
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Figura 11 – Diagrama simplificado do sistema de excitação
(n) Barramentos distribuidores de carga
(n.1) Descrição geral
As instalações industriais têm, normalmente, mais de uma fonte geradora e ainda recebem
energia da concessionária através da subestação receptora. Para interligar todas estas
fontes, utilizamos as chamadas “barras” em conjunto com a “barra de sincronismo”, que
é um barramento por onde fluirá a energia. A finalidade dos barramentos é receber a energia
gerada pelos turbogeradores e distribuí-la para os consumidores (unidades de processo,
por exemplo) através de cabos alimentadores trifásicos, em 13,8kV, até as subestações
distribuidoras.
(n.2) Barra de sincronismo
A função desta barra é o sincronismo entre as fontes e transferência de carga entre as diversas
barras, possibilitando assim uma maior flexibilidade operacional e elevação da confiabilidade do
sistema.
(n.3) Reatores da barra de sincronismo
Quando temos duas ou mais fontes geradoras em paralelo, se há uma falha muito próxima
das fontes (por exemplo, um curto-circuito na barra do gerador 1), a corrente de curto
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na barra de 13,8kV atingiria valores altíssimos devido a impedância do sistema ser próxima de
zero. Isto seria muito prejudicial para os equipamentos e para a atuação das proteções. Os
reatores têm a função de limitar esta corrente, diminuindo as perturbações e danos ao
sistema.
(n.4) Painel dos alimentadores de 13,8kV
Para uma maior confiabilidade operacional, existe um painel onde os disjuntores de 13,8kV
– que recebem energia das barras – alimentam as subestações de área através de
cabos elétricos trifásicos subterrâneos. É nas subestações de área que a tensão é
rebaixada a níveis compatíveis com os consumidores. Este arranjo se faz necessário para
tornar o sistema operacionalmente seguro, economicamente viável e tecnicamente correto.
(n.5) Sincronismo
Quando um gerador de energia roda a vazio (sem fornecer carga), para conectá-lo
a um barramento de energia onde um outro gerador já está fornecendo energia
necessitamos seguir alguns parâmetros para colocar este gerador em paralelo, ou
seja, em sincronismo com a outra fonte.
Para colocar um gerador em sincronismo com outro, teremos que verificar:
Seqüência de fases – A primeira vez que se sincroniza um gerador trifásico é
necessário verificar se as três fases estão na mesma seqüência de fase, senão um
gerador se constituirá em um curto-circuito para o outro. Este requisito é definido
na montagem da máquina.
Figura 12 – Seqüência de fases
Ângulo de fases – Ela existirá se as ondas de corrente alternada dos dois geradores
alcançarem seus valores máximos, mínimos e nulos ao mesmo tempo. Normalmente
os relés de sincronismo bloqueiam o fechamento do paralelo se o ângulo de fase
exceder a faixa de +5° e –5°.
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Figura 13 – Ângulo de fases
Freqüência – As freqüências devem estar próximas para evitar o curto-circuito. O relé de
sincronismo está ajustado para uma faixa de 59,8Hz a 60,2Hz. Normalmente quando
colocamos uma máquina em sincronismo com outra, deixamos a máquina que entrará em
paralelo com uma freqüência um pouco maior, para que ela entre no barramento
assumindo carga, evitando, assim, a atuação da proteção de reversão de carga (32G).
Figura 14 – Freqüência
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21
Tensão – As tensões devem ser iguais. O que equivale dizer que as amplitudes das ondas
de corrente alternada nos seus picos positivos e negativos devem ter o mesmo valor.
Diferenças de tensão muito grandes contribuem para uma transferência de energia reativa
elevada entre as máquinas, o que é prejudicial para elas. O relé de sincronismo está
ajustado para a faixa de - 414V até + 414V da tensão nominal de 13 800V. Normalmente
quando colocamos uma máquina em sincronismo com outra, deixamos a máquina que
entrará em paralelo com uma tensão um pouco maior, para que ela entre no
barramento assumindo cargas reativas, evitando, assim, a sua desestabilidade.
Figura 15 – Tensões
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22
(o) Fator de potência
(o.1) Fundamentos teóricos
Há dois tipos de potência em jogo num sistema: (1) a potência ativa e (2) a
potência reativa. A soma vetorial destas potências dá a potência aparente. Mas o que isto
significa?
O conceito físico pode ser explicado a seguir. Um equipamento que transforme a energia
elétrica diretamente em outra forma de energia útil (térmica, luminosa, etc.), sem
necessitar de energia intermediária na transformação, é um consumidor de energia ativa (por
exemplo, a lâmpada incandescente ou o ferro elétrico). Um equipamento que necessite de
parte da energia para criar um campo magnético para realizar trabalho é um
consumidor de energia ativa e reativa (por exemplo, motores, transformadores e
reatores).
A energia reativa é uma energia trocada entre o gerador e o receptor, não sendo
propriamente consumida como o é a energia ativa.
Vetorialmente, representamos a energia reativa defasada de 90° em relação à energia
ativa. Isso significa que atingem os máximos e mínimos, 90° elétricos em defasagem. Por
convenção, se o receptor consome energia reativa (indutivo), diz-se que esta está 90°
atrasada em relação à energia ativa. Se o receptor fornece energia reativa (capacitivo),
está 90º avançada em relação à mesma. Temos então as representações:
Figura 16 – Fator de potência
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
23
(o.2) Conceito
Por definição, fator de potência é o coseno do ângulo de defasagem entre a corrente
e a tensão.
Se o circuito for indutivo – consumidor de energia reativa, – o fator de potência é
dito em atraso.
Se for capacitivo – fornecedor de energia reativa –, é dito em avanço.
Se a potência é o produto da tensão pela corrente, temos, através do triângulo das
potências, o seguinte:
Potência aparente (S)² = Potência ativa (P)² x Potência reativa (Q)², logo:
Cos = cateto adjacente / hipotenusa
P = S x Cos ==> P = E x I x Cos
Deduzimos através do triângulo de potências que quanto menor for a potência reativa do
circuito, mais próximo de 1 será o fator de potência (FP).
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
24
O fator de potência foi sempre motivo de preocupação dos engenheiros encarregados do
projeto e estudo dos sistemas elétricos. O baixo fator de potência causa sérios problemas às
instalações elétricas, entre os quais podemos citar: sobre- carga nos cabos e
transformadores, crescimento da queda de tensão, redução do nível de iluminação e
aumento das contas de energia.
Causa principal do baixo fator de potência:
· Motores de indução subcarregados.
De uma maneira geral, todo equipamento que possui enrolamentos, tais como
transformadores, reatores, motores, etc., exige potência reativa da rede; daí
podermos citar como outras causas do baixo fator de potência:
· Instalações de lâmpadas fluorescentes;
· Retificadores:
· Equipamentos eletrônicos;
· Instalações de ar-condicionado, etc.
Objetivos principais da melhoria do fator de potência:
· Redução dos custos da energia;
· Liberação de capacidade do sistema;
· Crescimento do nível de tensão, por diminuição das quedas;
· Redução das perdas do sistema.
Os métodos mais usados na melhoria do fator de potência são:
· Instalação dos bancos de capacitores e
· Motores síncronos superexcitados.
(p) Subestação de área
(p.1) Descrição
Uma refinaria de petróleo é uma instalação industrial que abrange uma grande área e
diversas instalações distintas que estão normalmente a distâncias consideráveis. Para que
possamos mandar a energia gerada na central termelétrica até estas unidades, usamos os
ramais alimentadores que chegam em subestações de área. Estas subestações são
responsáveis pelo rebaixamento da tensão para níveis compatíveis com os equipamentos
(por exemplo: motores de 2,4kV). Podemos encontrar tensões de 4 160V, 2 400V e 480V
para alimentação de acionadores de 220V e 127V para tensões auxiliares.
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25
Figura 17 – Vista geral da subestação de processo
(p.2) Painéis de distribuição de carga
Normalmente as unidades são alimentadas por dupla alimentação radial. Isto significa
que a subestação é alimentada radialmente mediante dois alimentadores distintos para
aumentar a continuidade operacional e melhorar a flexibilidade. A expressão “radial”
designa que o alimentador é conectado à fonte de energia em apenas um ponto, não
havendo fechamento em “anel”. De acordo com a configuração, podemos denominá-las de
primário seletivo ou secundário seletivo.
(p.3) Primário seletivo
Chama-se de primário seletivo quando a escolha de qual alimentador será utilizado para
alimentar as cargas se faz na entrada da subestação (nível de 13,8kV). Esta configuração é
utilizada em subestações que alimentam cargas menos prioritárias, uma vez que, em
caso de falha no alimentador, teremos a interrupção de energia para o consumidor durante
um tempo considerado. É usado, por exemplo, nos setores administrativos e de
manutenção.
Figura 18 – Primário seletivo
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26
(p.4) Secundário seletivo
Chama-se de secundário seletivo quando a escolha de qual alimentador será utilizado
se faz no próprio painel de carga. Esta configuração é utilizada em subestações que
alimentam cargas prioritárias, uma vez que, em caso de falta de um alimentador, não
teremos interrupção no fornecimento de energia para os consumidores de painéis que
trabalham em “U” fechado, e um tempo muito curto para aqueles que trabalham em
“U” aberto. O secundário seletivo é usado, por exemplo, nas unidades de processo e
utilidades.
(p.5) Configuração “U” fechado
Em subestações de secundário seletivo, como vimos, teremos dois ramais
alimentadores por painel distribuidor de carga; logo, teremos no painel um disjuntor para
cada lado e um disjuntor de interligação. Para painéis de média tensão (2,4kV) que
alimentam cargas críticas, adotamos a configuração dos 3 disjuntores fechados, elevando,
assim, a continuidade operacional em caso de abertura de um alimentador.
Figura 19 – Configuração “U” fechado
(p.6) Configuração “U” aberto
Para painéis de 480V, por questões de proteção e para limitar a corrente de curto-
circuito, e para painéis menos críticos, o disjuntor de interligação opera na posição aberto,
que caracteriza a configuração em “U” aberto. Em caso de abertura de um alimentador
através da atuação de relés de proteção, ocorrerá o fechamento da interligação
automaticamente. Infelizmente o intervalo de segundos durante o qual há interrupção de
energia a um barramento é suficiente para que ocorra o desarme dos contatores, e,
portanto, o desarme dos mesmos.
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Figura 20 – Configuração “U” aberto
(p.7) Configuração “LA” ou “LB”
Em caso de indisponibilidade de um dos alimentadores que chegam até o painel, este
ficará na configuração “L”, que indica que as cargas estão sendo alimentadas somente
por um alimentador.
Figura 21 – Configuração “LA” ou “LB”
(q) Sistema de corrente contínua
A corrente contínua é de vital importância numa instalação industrial porque pode ser
armazenada em bancos de baterias. Este é o fator preponderante para ser usada na
alimentação de relés de proteção e como tensão de comando de disjuntores de painéis e
grandes máquinas. Uma função importante é a iluminação de emergência em caso da falta
da alimentação em corrente alternada.
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(q.1) Descrição
O sistema de corrente contínua é composto de um carregador de baterias e de um banco
de baterias, normalmente em 120V. O carregador tem como função receber a tensão em
corrente alternada, retificar esta corrente e simultaneamente manter em regime de
flutuação o banco de baterias e alimentar todos os sistemas de proteção e comando.
Na falta de corrente alternada, o suprimento de energia será através dos bancos de
baterias, ficando assim protegido o sistema e operacionalmente normal.
Figura 22 – Banco de baterias
Figura 23 – Esquema do banco de baterias
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(r) Sistema de UPS (inversores)
Para sistemas críticos que não possam ser alimentados em corrente contínua por causa das
características dos circuitos eletrônicos envolvidos (por exemplo, detectores de chamas
dos queimadores dos geradores de vapor de alta pressão e hardware de controle e
supervisão de máquinas críticas e compressores de ar nas centrais termelétricas),
utilizamos sistemas chamados de “sistemas ininterruptos de força (Uninterrupted
power systems - UPS)”, que são inversores de corrente que, mesmo na falta da
alimentação principal, garantem o fornecimento para o equipamento.
(r.1) Descrição
Os UPS são constituídos basicamente de um retificador de corrente, um carregador
de baterias, um banco de baterias e um inversor de corrente. O funcionamento do
sistema pode ser compreendido assim. Um carregador de baterias alimenta um
inversor de corrente que converte C.C. em C.A. e mantém um banco de baterias
em flutuação. O inversor, por sua vez, alimentará as cargas críticas em C.A. Em
caso de falta de suprimento de C.A., o inversor ficará alimentado pelo banco de
baterias, não interrompendo o suprimento para a carga. Em caso de esgotamento das
baterias ou pane no inversor há uma chave estática de alta velocidade de comutação
que passa a alimentação da carga para uma outra fonte de corrente alternada
sem interrupção do suprimento. Utilizamos o by-pass de manutenção na liberação
geral dos UPS.
Figura 24 – Esquema dos UPS
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(s) Relés de proteção
Em um sistema elétrico industrial podem ocorrer várias falhas como, por exemplo,
curto-circuito, sobrecargas e reversão de cargas. Para que, numa eventual falha,
possamos minimizar os efeitos desse evento e resguardar o restante do sistema,
dotamos este sistema de relés de proteção.
Algumas falhas podem ter efeitos destrutivos enormes, levando a grandes prejuízos
e indisponibilidade do sistema por longos períodos. A principal função dos relés de
proteção é detectar a falha e fazer o desligamento do sistema defeituoso o mais
rapidamente possível.
Com um conjunto de proteções que constitui uma parcela bem pequena, tanto em grandeza
física como em valor monetário (1% do investimento total do sistema elétrico), podemos
manter a continuidade operacional: um mínimo de interrupções combinado à redução
das avarias dos equipamentos elétricos.
Um esquema de proteção deve envolver os equipamentos e as cargas alimentadas
pelo sistema, tais como motores, transformadores, painéis, etc. Desenvolveu-se, por
este motivo, uma técnica especializada que seleciona, coordena, ajusta e aplica os
vários equipamentos e dispositivos protetores a um sistema elétrico. O
desenvolvimento e a aplicação dos elementos de proteção vêm se fazendo sentir mais
e mais importantes dentro do campo da engenharia elétrica moderna. A Tabela 1
mostra uma lista de vantagens objetivadas em tal desenvolvimento e aplicação:
Tabela 1 – Vantagens dos relés de proteção
Vantagens Materiais Vantagens Operacionais
Menor dano no equipamento Redução de interrupções
Menor custo de reparos Menores perdas de sincronismo
Menor tempo nos serviços de reparação Redução das oscilações
Menor estrago de produtos Redução de interferências
Menor dano pessoal Redução de manobras
Economia de peças sobressalentes Comodidade de operação
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(s.1) Seletividade
As proteções devem atuar seletivamente no sistema, isto é, somente o equipamento
faltoso deve ser removido de modo a cessar a falta. Os relés devem atuar com alta
velocidade.
(s.2) Coordenação
As proteções só devem retirar de operação uma porção maior do circuito se houver
falha na atuação da proteção do equipamento.
(s.3) Principais relés usados na proteção
Relé 50GS – Falha à terra
Em geral os relés de sobrecorrente de terra são calibrados para uma corrente de
acionamento muito menor do que a dos relés de fase. A corrente de curto-circuito para a
terra circulando no sistema poderá ser detectada por um relé de sobrecorrente ligado
ao circuito residual de três TCs ou no secundário de um transformador de núcleo em
janela, através do qual passam os três condutores de fase. O último arranjo denominado
ground-sensor é mais rápido e sensível do que o primeiro, pois não está sujeito aos
erros dos transformadores de corrente e, portanto, é idealmente adaptado à
proteção de circuitos alimentadores.
Relé 50/51 – Sobrecorrente
Os relés de sobrecorrente operam quando a corrente que circula em suas bobinas
ultrapassa um determinado valor, sendo a operação destes relés independente da
direção desta corrente. São em geral de ação retardada, do tipo de indução, podendo,
contudo, conter um elemento de disparo, de ação instantânea, tipo “armadura axial” ou
“armadura em charneira”.
Relé 67 – Direcional de corrente
Entre relés só permitem a passagem da corrente em um só sentido, admitindo-se,
em geral, que esta corrente deva exceder a um valor predeterminado. Aquele
“sentido” é controlado eletricamente por meio de uma polarização, em outras
palavras, por meio de um elemento wattmétrico, que é inerentemente direcional;
com este elemento consegue-se bloquear o circuito de operação quando a
corrente da linha tem um sentido prefixado. O tipo construtivo destes relés
assemelha-se ao de sobrecorrente, com disco de indução, acrescido, todavia, de
um elemento wattmétrico para a polarização, do tipo tambor de indução. A unidade
wattmétrica conduz um contato que abre ou fecha o circuito da bobina de corrente
do outro elemento.
Relé 87 – Diferencial de correntePETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008
Quali f icAbastQual i f icAbast32
O esquema de proteção diferencial consiste, em linhas gerais, de dois jogos de
transformadores de corrente que comparam as correntes que entram e saem numa
dada parte do sistema. Se estas correntes forem iguais na mesma tensão básica, indicando
uma operação normal, não passa nenhuma corrente na bobina de operação do relé. Se,
porém, houver um curto-circuito, dentro da área abrangida pelos transformadores de
corrente haverá um desequilíbrio das correntes acima mencionadas e a sua diferença
passará na bobina de operação do relé, motivando o seu funcionamento. Utilizado
principalmente na proteção de geradores, transformadores de grande potência e
barramentos devido ao seu custo elevado.
Relé 32 – Direcional de potência
Função que se diferencia do relé direcional de corrente, na grandeza “vista” pelo relé, que
em vez da corrente passa a ser a potência. Há no caso atual a participação conjunta da
tensão com a corrente. Esta função se aplica muito na proteção de grupos geradores que
não podem receber “energia de volta”, pois isso poderia acarretar um distúrbio
mecânico na máquina motriz. Usa-se muito para esta função o relé de tambor de indução,
que dá à característica direcional um tempo ultra-rápido.
Relé 27 – Subtensão
Este relé é do tipo disco de indução, com característica de tempo inverso. Ele é
construtivamente idêntico ao de sobrecorrente, diferindo apenas na ação antagônica
da mola, que é em sentido inverso. Este relé é projetado para operar quando a
tensão da linha baixar a um certo valor, que geralmente é quando ela atinge 80%
do valor nominal.
Relé 40 – Perda de campo
É um relé tipo atração em charneira. Em situação normal, a bobina permanece energizada
pela corrente de campo do alternador, que ao sofrer um decréscimo por uma falta qualquer
no sistema de excitação provocará a desenergização da bobina.
Relé 60 – Balanço de tensão
Este relé compõe-se de uma unidade do tipo tambor de indução e é projetado para operar
quando existir desequilíbrio de tensões entre um gerador ou transformador e o barramento.
Relé 51V – Sobrecorrente com restrição de corrente
É um relé acionado pela corrente do circuito (bobina de corrente), mas cuja ação está
restringida pela própria tensão do circuito (bobina de potencial). Isto é feito para que um
curto-circuito fique mais bem caracterizado, já que este provoca, além da corrente
altíssima, um abaixamento apreciável da tensão da rede. Com tal queda, a ação de
restrição da bobina de potencial cai, tornando-se mais efetiva e rápida a ação motora da
bobina de corrente. Utilizado na proteção dos geradores.
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33
Relé 81 – Freqüência
O relé de freqüência é muito empregado para desligar parte da carga por motivo de perda
de unidades geradoras. Considere-se um circuito de dois braços em paralelo, cada um
deles constituindo um circuito de ressonância-série, de modo que a repartição das
correntes depende da freqüência do circuito; o elemento móvel do relé está equilibrado
para uma determinada freqüência, e tenderá para um lado ou para outro conforme
aumente ou diminua a freqüência. Obedece, na realidade, ao tipo construtivo do relé
eletrodinâmico, seguindo a mesma construção dos indicadores de freqüência, os
freqüenciômetros.
(t) Rejeição de carga
(t.1) Introdução
Em um sistema em que geradores operam em paralelo, a queda de alguma das
máquinas acarretará um aumento do consumo de energia. Esse consumo poderá vir
a ser maior que a produção. Esta situação funciona como um freio para os demais
geradores, fazendo com que a freqüência do sistema tenda a cair, o que é
prejudicial para os consumidores. Para compatibilizar o consumo com a produção, o
sistema de rejeição de carga desliga parte dos consumidores.
(t.2) Descarte elétrico
É um sistema desenvolvido de modo a assegurar a disponibilidade de energia elétrica
para sistemas essenciais e cargas mais críticas dentro do processo da refinaria. Isto é
realizado descartando-se cargas não essenciais para o processo, ou parte do sistema
elétrico da refinaria. Uma falha dentro do sistema elétrico pode ser causada pela abertura
da linha da concessionária de energia elétrica, pela perda da capacidade de geração, ou
quando parte do sistema elétrico é desligado do fornecimento da concessionária. O
sistema de descarte elétrico deve estar preparado para ser capaz de enfrentar as condições
acima mencionadas.
Outro requisito que o sistema de descarte elétrico deve desempenhar, mas que tem uma
baixa prioridade, é o fato de que esse descarte deve provocar mínimas perturbações
no processo de produção. O objetivo é descartar somente a soma da potência realmente
necessária com a menor prioridade possível.
O sistema de descarte elétrico do SCMD difere do sistema de descarte existente, é
baseado no descarte por subfreqüência, e é um sistema de retaguarda para o
sistema primário de descarte do SCMD. O sistema primário de descarte do SCMD
calcula continuamente o balanço da potência dentro do sistema elétrico por
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34
subtração da carga elétrica consumida da potência elétrica disponível para geração.
Quando é diagnosticada uma falha, o sistema de descarte inicia a operação
descartando o excesso do consumo da carga elétrica e estabilizando a operação
dos geradores ou o consumo da concessionária.
(u) SCMD
(u.1) Introdução
O sistema de controle e monitoração distribuído (SCMD) é um conjunto de hardware
(HW) e software (SW), que são conectados aos equipamentos da área elétrica (motores,
geradores, transformadores, disjuntores, etc.), que se comunica entre si e com as estações
de operação (IHM) através de uma via de comunicação de dados (VCD).
Figura 25 – Exemplo de tela do SCMD
(u.2) Objetivos do SCMD
Controlar e monitorar a geração, o recebimento e a distribuição de energia elétrica, de forma integrada e centralizada;
Otimizar a produção e compra de energia elétrica;
Aumento da confiabilidade no suprimento de energia elétrica (fator operacional);
Melhorar a análise de ocorrências anormais.
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(u.3) Funções do SCMD
Supervisão:
Alarme e registro seqüencial de eventos;
Medição analógica;
Gráfico de tendências;
Monitoração do estado de equipamentos de manobra.
Controle:
Comando dos equipamentos de manobra;
Manobras programadas;
Descarte de cargas elétricas e reaceleração de motores;
Descarte térmico;
Interface com o SDCD.
Controle de geração e recebimento – demanda, fator de potência, potência ativa e
reativa, freqüência, tensão e sincronismo.
(u.4) Diferenças entre SDCD e SCMD
Malha de controle amplas que são distribuídas por toda a refinaria;
Tráfego na via de comunicação de dados – informações do tipo IMM e IHM;
Rede de comunicação mais robusta – existem picos no tráfego de informação;
Tempos envolvidos muito pequenos (I/O);
Ciclicidade dos programas mais alta;
Variação de carga da CPU.
Figura 26 – Arquitetura da rede do SCMD
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36
[Sistemas de águas
(a ) Captação
As refinarias captam água diretamente de rios ou através de barragens. O
posicionamento da sua captação é de grande importância, pois facilita o
tratamento da água, reduzindo o custo de implantação das estações de tratamento e
o tratamento propriamente dito. Através de uma captação adequada, evitamos a
presença de despejos industriais, turbidez excessiva, alteração de vazão,
resíduos sólidos, assoreamento, inundações e outros problemas.
Do ponto de captação o fluxo é bombeado através de uma estação elevatória
(“subestação” e “casa de bombas”) até uma torre de recalque, um lago ou
mesmo um tanque. Estes cumprem a finalidade de proporcionar uma pressão de
coluna adequada na descarga das bombas, além de assegurar um regime de
bombeio estável e um nível suficiente para o deslocamento gravitacional do fluxo
até a refinaria.
Neste percurso até a refinaria, através de uma adutora, há a necessidade de
uma “torre de equilíbrio”, que funciona como uma espécie de pulmão da
adutora. A torre de equilíbrio absorve os golpes de aríete e as entradas de ar
decorrentes das variações e interrupções de fluxo. Em algumas refinarias a torre de
equilíbrio é substituída por válvulas, próprias para este fim. Nos pontos altos, há
a necessidade de válvulas ventosas que controlam a entrada e a saída de ar na
tubulação. As válvulas ventosas permanecem abertas enquanto existir ar no
interior da tubulação e fecham com a chegada de água, após a expulsão do ar.
Se houver drenagem da água do interior da tubulação as válvulas ventosas
evitam a formação de vácuo, permitindo,assim, a entrada de ar.
Os efeitos de dilatação da adutora são absorvidos pela instalação de juntas
dresser ou juntas sanfonadas. As juntas dresser consistem de um tubo
encaixado dentro de outro tubo, devidamente vedado com gaxetas especiais. Na
estação elevatória, as paradas das bombas exigem cuidados especiais.
A interrupção abrupta do bombeio – decorrente de queda de energia ou outras
eventualidades – pode gerar um retorno de fluxo de várias toneladas, (transiente
hidráulico) devido ao peso da coluna d’água entre a descarga das bombas e a
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37
cota da torre de equilíbrio. A fim de absorver este impacto são implantados três
níveis de proteção:
Fechamento lento e gradativo das válvulas de descarga,
para não gerar variação abrupta de fluxo de retorno. As bombas só podem
ser desliga- das após o fechamento total destas válvulas.
Na ocorrência de parada abrupta do bombeio, o retorno do
fluxo é absorvido por “válvulas antigolpe”. Estas válvulas se abrem
imediatamente para dreno e se fecham lentamente até que o refluxo seja
absorvido.
Na eventualidade de falha na atuação das válvulas antigolpe,
são acionadas as “válvulas de segurança” ou válvulas PSVs. Estas válvulas
são projetadas para abrir para dreno quando a pressão limite de calibração
for atingida. São projetadas para abertura em três níveis diferentes de
pressão, de forma a garantir a confiabilidade do sistema.
(b) Impurezas da água e suas conseqüências
A água em seu estado natural nunca é pura. Mesmo quando a água é
proveniente de uma precipitação pluviométrica, ela só é considerada pura na
condensação em grandes altitudes. Isto porque, à medida que desce através do
ar, a água da chuva dissolve oxigênio, nitrogênio e dióxido de carbono – gases
normalmente encontrados na atmosfera – em quantidades proporcionais às suas
pressões parciais. A água da chuva também encontra poeira, fumaça e vapores
que são dissolvidos ou retidos em suspensão. Bactérias, germes e
microorganismos também são arrebatados pela água de uma precipitação.
Após contato com o solo, a água da chuva, devido ao grande poder de
dissolução que possui, dissolve a matéria mineral do solo e das pedras com as
quais entra em contato. As impurezas contidas na água são assim aumentadas,
seja por percorrer a superfície terrestre, seja por percolar camadas rochosas. A
presença de argila e outros sólidos em suspensão na água de rios e córregos,
produz a sua “turbidez”. Além disso, as águas de superfície ficam sujeitas à
poluição por animais, seres humanos, esgotos das cidades e resíduos industriais.
Consequentemente, existe a necessidade da purificação e do condicionamento
antes de seu uso como água potável ou para fins industriais. Uma análise
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38
completa de uma água potável poderia indicar a presença de mais de 50
constituintes nela dissolvidos ou em suspensão (perfil da água bruta). Estas
impurezas podem ser enquadradas nos seguintes grupos:
Sólidos em suspensão;
Gases dissolvidos;
Sais dissolvidos;
Sílica;
Matéria orgânica.
As impurezas encontradas na água causam problemas de diversas ordens. Os
elementos corrosivos podem levar à corrosão dos elementos metálicos das
caldeiras. Os elementos incrustantes prejudicam a troca de calor entre os gases
e a água nestes equipamentos . Pelo seu grande poder isolante, podem causar
pontos de superaquecimento e conseqüente perda de resistência mecânica e
ruptura da peça. O problema do arraste pode pôr em risco o superaquecedor e
as linhas de distribuição a que se destina o vapor. Nas turbinas as impurezas
poderão danificar ou formar depósitos nas palhetas com redução de eficiência. A
formação de espuma poderá formar películas isolantes sobre as superfícies
internas dos tubos causando superaquecimento e conseqüente falha do
equipamento.
A Tabela 1 apresenta uma lista das impurezas mais comuns e suas
conseqüências.
Tabela 1 – As impurezas e suas conseqüências
ImpurezasEfeitos
CorrosivosIncrustantes
Espuma e
Arraste
Cálcio - X -
Magnésio - X -
Bicarbonato X X -
Carbonato X X -
Sílica - X X
Sólidos dissolvidos - - X
Sólidos em suspensão - X X
Matéria Orgânica - X X
Ferro - X -
Oxigênio X - -
Ácidos X - -
A Tabela 2 detalha as diversas formas de impureza e os tratamentos recomendados
para a eliminação de cada uma delas.
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Tabela 2 – Impureza versus Tratamentos
ConstituinteFórmula
Química
Dificuldades
Causadas
Meios de
Tratamento
Turbidez Nenhuma.
Confere opacidade à água. Deposita sedimentos nas linhas.
Coagulação, sedimentação e filtração.
Cor Nenhuma.Pode causar espuma em Caldeiras.
Coagulação, filtração, cloração e absorção por carvão ativado.
Dureza
Sais de cálcio e magnésio; expressas como CaCO3.
Fonte principal de depósitos em equipamentos trocadores de calor, caldeiras, linhas, etc.
Abrandamento e tratamento interno com caldeiras.
Alcalinidade
Bicarbonato (HCO3), Carbonato (CO3) e Hidróxido (OH).
Espumas e arrastes sólidos com o vapor, corrosão cáustica no aço das caldeiras. Bicarbonatos e carbonatos produzem CO2 no vapor, uma fonte de corrosão.
Amolecimento com cal e cal soda e desmineralização.
Acidez Mineral Livre
H2SO4, HCl, etc. Corrosão. Neutralização em álcalis.
Dióxido de carbono
CO2.Corrosão em linhas de vapor e condensado.
Neutralização com álcalis e desaeração.
pHConcentração de íon hidrogênio.
Varia de acordo com o teor de sólidos ácidos ou alcalinos da água.
Pode ser aumentado com álcalis e diminuído com ácidos.
Sulfatos SO4.
Aumento no teor de sólidos dissolvidos na água. Combinam-se com o cálcio para formar depósitos de sulfato de cálcio.
Desmineralização, destilação.
Cloretos Cl.Aumenta o teor de sólidos dissolvidos e aumenta o caráter corrosivo na água.
Desmineralização, destilação.
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40
ConstituinteFórmula
Química
Dificuldades
Causadas
Meios de
Tratamento
Nitrato NO3.
Aumenta o teor de sólidos, útil no controle da corrosão cáustica em metais de caldeiras.
Desmineralização.
Sílica SiO2.
Depósito em caldeiras e sistemas de água de refrigeração. Depósitos insolúveis em palhetas de turbinas devido à vaporização de sílica.
Processos de remoção a quente com sais de magnésio, desmineralização.
Ferro e manganês
Fe e Mn.
Descora a água ao precipitar. Fontes de depósitos em linhas de água, caldeiras, etc.
Aeração, coagulação e filtração. Abrandamento com cal; troca por desmineralização.
Óleo
Expressa com material extraído por óleo ou clorofórmio.
Formação de depósitos, lamas e espuma em caldeiras. Indesejáveis na maioria dos usos.
Separadores de chicanas, coagulação e filtração.Filtração em terras de diatomácea.
Oxigênio O2.Corrosão em equipamentos.
Desaeração.Sulfito de sódio, hidrazina.Inibidores de corrosão.
Sulfeto de hidrogênio ou gás sulfídrico.
H2S. Causa odor de ovo podre, corrosão.
Aeração, cloração, resinas, troca iônica de base forte.
Amônia NH3.
Corrosão de linhas de cobre e zinco pela formação íons complexos solúveis.
Desmineralização, cloração e desaeração.
Condutividade
Expressa em icronhos, condutância específica.
Condutividade é o resultado dos sólidos ionizáveis em solução.Alta condutividade pode aumentar o caráter corrosivo da água.
Qualquer processo que diminua teores de sólidos dissolvidos.
Sólidos dissolvidos
Nenhuma.
É a medida da quantidade total de matérias dissolvidas. Altas concentrações são prejudiciais por sua interferência em processos industriais e por causar espuma em caldeiras.
Desmineralização, destilação, abrandamentos e osmose reversa.
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
41
ConstituinteFórmula
Química
Dificuldades
Causadas
Meios de
Tratamento
Sólidos em suspensão
Nenhuma.
Sólidos em suspensão é a medida de matérias não dissolvidas.Entopem linhas, causam depósitos em linhas de equipamentos.
Decantação simples, filtração e floculação.
Sólidos totais Nenhuma.Sólidos totais é a soma das matérias dissolvidas e em suspensão.
Desmineralização, destilação, abrandamentos e osmose reversa.Decantação simples, filtração e floculação.
(c) Tratamento geral da água
Desde a captação até seu uso, a água passa por diversos tratamentos. A Figura 1
apresenta um panorama geral de todas as etapas de tratamento da água em
refinarias.
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
42
Figura 1 – Esquema geral do tratamento da água em uma refinaria
(c.1) Clarificação
Trata-se da remoção da matéria finamente dividida e em suspensão, em uma
determinada água. Quando necessária, é o primeiro passo a ser dado nos tratamentos
convencionais de água. Modernamente, existem novas tecnologias, como o processo
de filtração através de membranas, que apresentam eficiência superior à clarificação,
porém, apresentam limitações quanto à vazão e quanto ao custo de instalação.
Portanto, seu uso ainda é restrito às indústrias.
1.1 Impurezas
Parte da matéria insolúvel na água sedimenta com relativa facilidade, porém, a matéria
mais finamente dividida é mantida em suspensão. Essas são mantidas em suspensão
pelo fato de possuírem carga elétrica negativa, as quais se repelem. Sendo assim, o
tamanho diminuto das partículas e sua força de repulsão, as mantêm em suspensão.
Para a clarificação da água, é imprescindível a neutralização das cargas negativas da
matéria em suspensão e a aglutinação dessas partículas, a fim de que se tornem
maiores e mais pesadas, e possam sedimentar.
1.2 Coagulação e tipos de coagulantes
Os tipos mais comuns de coagulantes utilizados em estações de tratamento de água
são o sulfato de alumínio, o sulfato ferroso e sulfato férrico. Estes coagulantes reagem
com a alcalinidade natural (ou adicionada, quando necessário) presente na água,
formando hidróxido de alumínio e hidróxido de ferro – trata-se da primeira etapa do
tratamento de água. Os hidróxidos formados possuem carga superficial positiva, que,
ao entrar em contato com os colóides suspensos na água, neutralizam suas cargas e
os encapsulam dentro de sua estrutura floculenta.
1.3 Floculação
Segunda etapa do processo da clarificação, o hidróxido formado pela reação entre o
coagulante e a alcalinidade natural ou adicionada, neutraliza a carga negativa dos
colóides em suspensão, formando os flocos.
1.4 Sedimentação
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
43
É a última etapa no processo da clarificação, onde os flocos formados ganham volume
e peso, precipitam, deixando a água praticamente isenta de turbidez. Nos processos
de clarificação mais comuns, os flocos que precipitam serão eliminados ou serão
agitados com o objetivo de acelerar o processo de formação de novos flocos.
1.5 Funcionamento de um Clarificador
1- A água bruta recebe a adição dos produtos químicos;
2- Fase referente à coagulação, a agitação deve ser suficiente para garantir a
eficácia do processo;
3- A água entra na zona de reação primária, onde ocorre a floculação. Nessa fase
a energia fornecida pelo agitador é bem menor, sendo suficiente para a formação dos
flocos, a manutenção da lama em suspensão e promover o seu adensamento;
4- A lama formada passa para a zona de reação secundária e desta para a bacia
de lama;
5- Na bacia de lama ocorrerá o encontro da água (sentido ascendente) com a
lama (sentido descendente), nessa fase a lama agirá como filtro, retendo as impurezas
arrastadas pela água, ganhará peso e retornando à zona de reação primária, onde
participará de novas reações ou/e será descartada;
6- A água já clarificada abandona o clarificador através de um conjunto de
canaletas existentes em sua superfície, que deságuam na caixa coletora de água
clarificada.
A figura abaixo representa um clarificador modelo ACCELATOR:
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
44
A figura abaixo representa um clarificador tipo compacto:
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
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1.6 Teste de Jarro
Tem por objetivo determinar o pH ótimo de floculação e a quantidade mínima de
reagentes. Faz-se necessário quando as análises mostram alterações significativas na
qualidade da água em um de seus estágios. Por exemplo: a turbidez da água
clarificada deverá corresponder a 10% da turbidez da água bruta, devendo o técnico
de operação perseguir esta meta.
Primeira etapa:
a. Determinar: VM, pH e turbidez da água bruta.
b. Consultar a tabela de turbidez X concentração de Al2 (S04)3.
c. Determinar a concentração do tanque de sulfato de alumínio.
d. Determinar a quantidade de cloro adicionado e calcular a quantidade de alcalinidade
consumida, sabendo-se que:
- para cada 1ppm de Cl2 adicionado à água, ocorrerá a redução de 1 ppm de
CaC03.
Dependendo da faixa de pH da água a qual o cloro esta sendo adicionado, este
reagirá com a água formando HCIO + HCl. O ácido clorídrico consome a alcalinidade
ao reagir com ela.
Observação: Para cada 1ppm de Al2 (S04)3 são necessários 0.7ppm de CaC03 para que todo o
sulfato adicionado reaja ou 0.3 ppm de Ca(OH)2, ou seja, se não houver na água, a quantidade
de alcalinidade suficiente para reagir com todo o Al2 (S04)3. Deve então o técnico de operação
adicionar o Ca(OH)2, na proporção acima mencionada em quantidade suficiente para suprir a
porção do sulfato que não reagiu.
Exemplo: Foi adotada como uma das dosagens de teste 10 ppm de sulfato, porém, a
alcalinidade natural da água bruta (VM) encontra-se em 5 ppm, havendo assim um déficit de 2
ppm de alcalinidade natural. Neste caso somente 70% do sulfato adicionado reagiria, sendo,
portanto necessária a dosagem de Ca(OH)2 em quantidade suficiente para que os 30%
restantes de sulfato reajam. Como, para cada 10 ppm de sulfato adicionado são necessárias 3
ppm de alcalinidade adicionada são necessários 0.9 ppm de Ca(OH)2,, para que nesta amostra
todo o sulfato reaja.
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46
Segunda etapa:
a. Para cada concentração de sulfato adotada, proceder de acordo com a fórmula:
VD=CR XVB
CT
Onde:
VD = VAZÃO DO DOSADOR (l/h).
CR= CONCENTRAÇÃO DO REAGENTE (mg/l)
VB= VAZÃO DA ÁGUA BRUTA (m3/h)
CT= CONCENTRAÇÃO DO TANQUE (g/l)
b. Ligar o aparelho em rotação máxima;
c. Adicionar os reagentes sem tocar com os dedos na água;
d. Após 60s reduzir a rotação para 18 r.p.m. e coletar 100ml de cada frasco para
análises de pH e VM;
e. Após 30min parar a agitação e anotar:
Tempo de formação dos flocos;
Tamanho dos flocos;
Tempo de assentamento;
Turbidez da clarificada após 15min.
Terceira etapa:
Quando o pH da caixinha for maior que o pH determinado no teste:
a. Buscar no gráfico pH X R o valor de R1 correspondente ao valor do pH ideal do
teste;
b. Determinar pH e VM real da caixinha;
c. Buscar no gráfico pH X R o valor de R2 correspondente ao pH real da caixinha;
d. Calcular a quantidade de C02 na amostra, onde:
C02= VM
R2
VM - Valor encontrado na caixinha
e. Calcular a quantidade de sulfato a ser adicionado em ppm,
Q = (VM- RI) C02
0.4 (R1 + 0.45)
Onde:
Q = SULFATO A SER ADICIONADO (VALOR EM ppm)
VM= VALOR ENCONTRADO NA CAIXINHA.PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008
Quali f icAbastQual i f icAbast47
C02 = JÁ CALCULADO ANTERIORMENTE.
RI = VALOR DO TESTE (lDEAL).
Quarta etapa:
Quando o pH da caixinha for menor que o encontrado no teste:
a. Buscar no gráfico pH X R o valor de R1;
b. Determinar os valores de pH e VM da caixinha;
c. Buscar no gráfico pH X R o valor de R2;
d. Calcular a quantidade de C02 na amostra de caixinha;
e. Calcular a quantidade de cal a ser adicionado em ppm;
Q = RI (C02 - VM)
1.11 (R1+ 1.26)
(c.2) Desinfecção
Tem por objetivo a destruição dos organismos patogênicos com rapidez, ou seja, com
eficácia. Deve ser isento de toxidade ao homem nas dosagens necessárias para a
obtenção da eficácia do processo, atendendo aos requisitos de custos do processo,
segurança das instalações e do usuário. Deve ser de fácil transporte e
armazenamento, não conferir gosto ou odor à água e ser de fácil detecção e
mensuração.
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
48
Deve-se produzir residual com a finalidade de garantir a qualidade da água, mesmo
nos pontos mais remotos da rede de abastecimento.
2.1- Processos Físicos
Calor;
Luz ultra-violeta.
2.2- Processos Químicos
Oxidantes – ozona, halogênios (cloro, bromo e iodo);
Permanganato de potássio;
Água oxigenada;
Íons metálicos – prata.
2.2.1- Cloração:
A cloração como desinfecção é eficiente, econômica e prática no sentido de tornar a
água de abastecimento potável. O gráfico abaixo nos dá a real dimensão da
importância da cloração junto à população abastecida. Grande utilização tem a
cloração no processo de potabilização.
Estações de tratamento de água que visam o abastecimento de cidades, injetam cloro
na água, para esterilizá-la e torná-la potável. Mesmo as indústrias que não requerem
água potável muitas vezes fazem uso do cloro no processo de coagulação através da
oxidação de microrganismos e de matéria orgânica. Evita-se, desta forma, a formação
de limo nos equipamentos e a presença de cor na água.
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
49
A cloração pode ser feita pela injeção de cloro gasoso ou adição de hipoclorito de
sódio. O gás cloro é encontrado no mercado em cilindros pressurizados e o hipoclorito
em bombonas ou contentores.
Em instalações de médio e grande porte, o usual no armazenamento do hipoclorito de
sódio é a utilização de tanques de fibra de vidro, e o seu abastecimento feito por
caminhão. A estação de Tratamento de Água do Guandu no Rio de Janeiro utiliza
cloro, entretanto, sua demanda é tamanha que o cilindro é a própria carreta e o tempo
de duração é de aproximadamente 24 horas, apresentando pequenas variações,
dependendo da demanda e qualidade da água.
A figura abaixo mostra um sistema típico de cloração:
A ação bactericida do cloro penetra pela membrana celular e depois dentro da célula,
reagindo com o sistema de enzimas através de reação química irreversível, não
permitindo a oxidação da glicose e a atividade metabólica celular.
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
50
2.2.2- Fatores que influenciam na desinfecção:
Espécie, concentração e capacidade de resistência dos microorganismos
de serem destruídos;
Tipo e concentração do desinfetante existente na água de que resultam o
tipo e concentração dos elementos provenientes da reação do desinfetante com a
água;
Tempo de contato do desinfetante com a água;
Características químicas e temperatura da água.
2.2.3- Influência do pH na reação:
pH > 9,5 - quase todo o composto estará sob a forma de OCl-
pH entre 6,5 e 8,5 - ocorrerá a reação HclO H+ OCl- tendendo para a
direita
pH entre 4,5 e 6,0 - predomina a forma HclO
pH < 3 – o cloro existente estará sob a forma Cl2.
A melhor faixa de pH encontra-se entre 4,5 e 6,0 porque o HClO é isento de carga
elétrica e é uma molécula de tamanho pequeno, cujo ângulo formado entre os seus
átomos permite fácil penetrabilidade através da membrana celular.
2.2.4- Teoria do BREAK- POINT:
O cloro adicionado à água pode ser consumido por reações com materiais orgânicos e
inorgânicos existentes na água. Essas reações laterais e a proporção de sua
ocorrência comprometem o processo de desinfecção, sendo por esse motivo,
necessário que o cloro adicionado à água, exista em quantidade suficiente para
atender tanto às reações laterais, quanto às específicas do processo.
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
51
2.2.5- Pré-cloração:
Aumenta a eficiência da coagulação;
Impede a decomposição de matéria orgânica no lodo depositado nos
clarificadores;
Permite o controle das algas e microorganismos;
Oxida materiais que produzam cor, sabor e odor;
Aumenta a eficiência da filtração, auxiliando a ação dos leitos pela oxidação
da matéria orgânica;
Evita a formação de bolas de lama nos filtros.
2.2.6- Pós-cloração:
Desinfecção da água com garantia de cloro residual livre ou combinado, através de
parte ou todo o sistema de distribuição de água. Este conceito é empregado para
distribuição de água potável.
(C.3) Filtração
Consiste na passagem de água por filtros para remoção de sólidos suspensos. Essa
operação é puramente mecânica, e nem toda a matéria em suspensão fica retida. Essa
etapa ocorre geralmente após a clarificação nas estações de tratamento de águas.
Processo através do qual o líquido que contém matéria em suspensão passa através
de um material poroso adequado (disposto em camadas com granulometrias
diferenciadas), de tal forma que remova de forma efetiva a matéria em suspensão.
Com a passagem da água pelo leito filtrante (geralmente areia), verifica-se a remoção
da matéria em suspensão e de substâncias coloidais, alterando-se as características
da água, inclusive as químicas, e reduzindo-se substancialmente o número de
bactérias presentes.
Na verdade a ação do leito filtrante não é criar poros menores do que a matéria retida.
A remoção da argila finamente dividida, bactérias, partículas coloidais, menores que os
poros, ocorre porque essas partículas aderem à superfície dos grãos do elemento
filtrante. Esse fenômeno ocorre em função dos caminhos curvos que a água percorre
entre os grãos, onde a ação da força centrífuga é de empurrar as partículas contra a
superfície dos grãos, onde ficam retidas.
Os filtros podem ser denominados filtros de pressão e por gravidade. Os do primeiro
tipo apresentam taxas de filtração maiores, porém, consomem energia, sendo,
portanto, indicados em sistemas projetados sob condições desfavoráveis de espaço. A PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008
Quali f icAbastQual i f icAbast52
freqüência de lavagem do leito ocorre em função da qualidade da água filtrada
desejada, perda de carga no leito (pelo acúmulo de impurezas na sua superfície) e
pela qualidade da água de alimentação do filtro. A lavagem consiste pela passagem de
água em fluxo contrário ao de operação, durante o tempo necessário para que a água
de lavagem saia limpa. Em decorrência das impurezas serem em sua quase totalidade,
retidas no topo do leito, a postergação do processo de lavagem do leito além dos seus
limites de projeto, traz risco de danos ao leito filtrante pelo efeito da pressão exercida
pelo excesso de material retido.
Essa compressão pode levar a rachadura do leito e afastamento da região do leito
junto às paredes do filtro. Provocam fluxo preferencial e, ainda, na formação de bolas
de lodo no interior dos leitos. Ocasionam a formação microbiana no sistema, redução
do potencial de filtração e, por último, a formação de bolhas de ar no interior do leito,
que durante o processo de lavagem desarrumam o leito comprometendo a qualidade
da água filtrada.
As figuras abaixo representam sistemas de filtração sob pressão e por gravidade:
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
53
(c.4) Água para fins Industriais
Neste capítulo serão abordados alguns tipos de processos que ocorrem em estações
de tratamento de águas para fins industriais, portanto, mais específicos.
Alguns equipamentos trabalham sob condições severas de pressão e temperatura.
São, portanto, mais suscetíveis a ataques pelas impurezas presentes na água ou pela
formação de elementos prejudiciais ao processo de troca térmica desses materiais.
Logo, alguns tratamentos específicos devem ser adotados para reduzir os riscos no
processo.
Há também determinados processos que necessitam da água isenta de impurezas, um
exemplo é o da indústria farmacêutica. Nesse tipo de processo a pureza da água não é
determinada pelo nível de severidade ao qual os equipamentos estão expostos, mas,
sim pela qualidade do produto final.
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
54
4.1 - Descloração:
É o processo que consiste na adsorção do cloro livre (que causa a deterioração das
resinas, comprometendo a eficiência da estação desmineralizadora) e matéria orgânica
(que promovem o envenenamento das resinas aniônicas). Dá-se através da
passagem da água filtrada por um leito de carvão ativado, onde a substância adsorvida
concentra-se na superfície do grão de carvão.
Trata-se de um fenômeno físico reversível, no caso do cloro e da matéria orgânica, e
explica-se a adsorção pelo fato de existirem condições diferentes entre as moléculas
da superfície e as do interior do grão de carvão. Cria-se, assim, um campo de forças
não equilibrado que atrai determinadas substâncias ou gases dissolvidos.
Como garantia da boa qualidade do processo alguns parâmetros devem ser
acompanhados:
Número de iodo;
Matéria Orgânica no efluente;
Perda de carga no leito;
Concentração de Cloro Livre no efluente;
Turbidez do efluente.
4.2 - Desmineralização:
É o processo de remoção de sais minerais ionizados na água, para o fornecimento de
água para a produção de vapor. A desmineralização envolve duas etapas de troca
iônica. Na primeira a água a ser tratada passa através de um leito de resinas de íons
catiônicos, onde os cátions presentes são retidos pela resina, que libera quantidade
equivalente de íons de hidrogênio. Na segunda etapa, a água já decationizada passa
através de um leito de resinas de íons aniônicos, onde os anions são retidos pela
resina que libera quantidade equivalente de íons hidroxila.
Após essa etapa, a água se encontra quase isenta dos cátions e ânions que continha.
Por serem mais resistentes química e fisicamente, as resinas catiônicas são as
primeiras no processo de desmineralização. O valor do pH no efluente da coluna de
resina catiônica é baixo devido à presença de ácidos minerais . A condutividade, por
sua vez, é alta. O valor de acidez mineral livre desse efluente depende do total de sais
dissolvidos no afluente. Ao final deste ciclo da resina catiônica o valor de acidez
mineral livre diminui e o pH aumenta.
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
55
Águas ricas em bicarbonatos produzem muito CO2 após a coluna de resinas trocadoras
de cátions e, por isso, em muitas estações desmineralizadoras é conveniente a
instalação de torres descarbonatadoras. Elas removem o CO2 da água decationizada
reduzindo a carga iônica para as resinas aniônicas (prolongando seu ciclo) e reduzindo
processos de corrosão em tubulações e acessórios.
Dos cátions comumente presentes em águas, o sódio é o primeiro a aparecer no
efluente de uma coluna de resina catiônica. A elevação na concentração do sódio no
efluente é sinal de término de um ciclo de operação. Porém, a concentração de sódio
no efluente pode variar em função da concentração de sódio no influente, da
alcalinidade da água, da alteração no nível de regeneração e diferentes técnicas de
regeneração.
O nível de concentração de sódio que determina o final de um ciclo varia em função do
nível de pureza que se deseja. Em algumas estações existem analisadores de sódio
na saída dos vasos, e em outras (o mais comum) a avaliação é feita pelo nível de
condutividade na saída dos leitos permutadores aniônicos.
Após o ciclo de operação da resina permutadora catiônica ocorre à exaustão da resina,
o que indica o final de sua capacidade de troca. Inicia-se então o processo de
regeneração do leito, que no caso das resinas permutadoras de cátion consiste (mais
comum) na passagem de ácido sulfúrico com o objetivo de introduzir H+ nas moléculas
da resina e remover cátions anteriormente retidos, diferentes do H+ .
Dos ânions comumente presentes em águas, a sílica é um dos primeiros a aparecer no
efluente dos permutadores aniônicos ao término do ciclo de operação. A elevação na
concentração de sílica no efluente do permutador aniônico é sinal de saturação da
resina aniônica.
A regeneração da resina aniônica consiste na passagem de hidróxido de sódio para
introduzir nas moléculas da resina os íons OH- que ela cedeu nas permutas, durante
o ciclo de operação.
A figura a seguir, representa as reações que ocorrem durante a operação normal em
uma estação de desmineralização:
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56
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
57
As figuras abaixo representam as resinas e as reações envolvidas:
O desenho abaixo representa o processo de regeneração de um leito do tipo misto.
Esse tipo de equipamento contém os dois tipos de resina, a catiônica e a aniônica e
destina-se a produção de águas para caldeiras de alta pressão. Durante a operação
normal as resinas operam misturadas. Porém, ao final de um ciclo de operação elas
são separadas por diferença de densidade (contra-lavagem) e são regeneradas
separadamente. O ácido sulfúrico entra por baixo e a soda cáustica entra por cima.
Esses vasos operam após os leitos aniônicos ou após a osmose reversa.
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4.3. Osmose Reversa:
A osmose reversa é usada basicamente para reduzir salinidade, porém, também reduz
sílica e material orgânico coloidal com alto peso molecular. Assim, quando
complementado por sistema de troca iônica é utilizado para água de alimentação de
caldeiras, farmacêuticas, na indústria eletrônica, etc.
A água passa por uma bateria de membranas e é de qualidade constante. O processo
é contínuo, não necessita de regenerações freqüentes, gerando efluentes em muito
menor quantidade. São sistemas compactos, de baixa manutenção, alto nível de
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
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automação e baixo custo de mão-de-obra. O Custo de instalação é elevado se
comparado com a desmineralização.
Suas limitações são: pressão de operação, alta concentração de sais no meio,
temperatura de operação e requer um ótimo pré-tratamento.
A figura abaixo representa como são montadas as membranas na osmose:
4.4- Ultrafiltração:
É um processo que tanto se aplica à tecnologia de tratamento de águas para o
abastecimento, quanto no tratamento de efluentes industriais.
Apresenta ótimos resultados quando opera em estações de tratamento de águas com
a finalidade de preparar a água tanto para o processo de desmineralização
convencional, quanto para a osmose reversa. Sendo que, para esse último processo,
garante a total remoção de partículas indesejadas no processo de osmose reversa,
que por vezes resultam na perda da membrana.
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60
Apresenta elevado grau de automação, instrumentação e pouca intervenção do
homem. Gera menor quantidade de efluentes e possui elevado custo de implantação.
O processo em si é bastante simples:
Em um tanque são dispostos cassetes com um conjunto de membranas
(porosidade média de 4 micras).
O tanque é alimentado pela água a ser tratada;
Uma bomba promove uma pressão negativa no interior das membranas,
promovendo fluxo de fora para dentro das mesmas;
As membranas promovem a ultrafiltração da água, originando o que
denominamos permeado.
A figura abaixo ilustra um processo de ultrafiltração:
A foto abaixo apresenta um cassete com membranas:
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4.5 - Reuso nas Estações de Tratamento de Água:
É fato a crescente escassez de água no planeta. Em decorrência disto, observa-se um
aumento na cobrança pela sociedade e pelos órgãos ambientais, pela redução de
efluentes e consumo de água nos processos industriais.
Daí, novas concepções de estações de tratamento estão sendo projetadas, e o
diferencial com relação às antigas estações está no reuso da água, que outrora era
despejada com ou sem tratamento nos corpos receptores.
Todos os projetos produzem rejeitos, que variam em volume conforme a tecnologia - o
ideal é que sejam os menores possíveis. Adiante, vamos abordar os efluentes das
regenerações nas desmineralizações, dos processos de clarificação, filtração e
ultrafiltração.
O efluente do primeiro processo é armazenado em um tanque para a neutralização das
correntes oriundas das regenerações dos leitos permutadores catiônicos (ácidos) e
aniônicos (básicos), no qual o pH deverá atingir valores entre 6,0 e 7,0. Após essa
etapa, o volume do tanque deverá retornar à clarificação.
O efluente do segundo processo é armazenado em um tanque de homogeinização e,
em seguida, passa por um processo de separação física composto por duas etapas: a
primeira composta por uma centrífuga, a segunda pode ser tanto um filtro prensa,
quanto um forno de secagem. A água resultante dessa separação retorna à
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
62
clarificação e o material sólido é disposto em aterro sanitário, de acordo com a sua
classificação.
A figura abaixo representa uma centrífuga em corte:
A foto abaixo é de uma centrífuga semelhante a da figura anterior:
A figura abaixo representa um forno de secagem:
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63
1. alimentador e queimador de combustível;
2. câmara de combustão;
3. pré-câmara de controle;
4. tambor rotativo de duplo ou triplo circuito;
5. câmara de saída dos gases;
6. ciclone para eliminação de componentes sólidos (finos);
7. turbina de aspiração;
8. chaminé;
9. esteira;
10. plc.
A foto abaixo é de um filtro prensa:
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(c.5) Tratamento de Efluentes Hídricos
Os principais poluentes hídricos provêm de atividades da agropecuária, indústria e
doméstica. A poluição hídrica pode ser classificada como química, física, fisiológica e
biológica. Nesse estudo abordaremos a poluição química, que pode ser dividida em
orgânica e inorgânica.
A carga orgânica é devida a carboidratos, proteínas, gorduras, resinas, borrachas,
sabões, álcoois, cetonas, ácidos, carvões, detergentes, pesticidas, fenóis, compostos
halogenados, etc. O inconveniente dessas cargas é o consumo de oxigênio dissolvido,
inibidor da vida microbiológica do meio.
A matéria inorgânica contida nos esgotos é formada, principalmente, pela presença de
areia e de substâncias minerais dissolvidas.
Os efluentes sanitários são provenientes de residências, clubes, comércio e drenagens
urbanas. Nas grandes cidades seu tratamento é motivo para batalhas entre entidades
ambientais, comunidades e governos, tendo em vista, os impactos que causam ao
meio ambiente e também pela perda da qualidade de vida dos cidadãos.
O tratamento adequadamente empregado é o de Lodo Ativado. Em alguns casos,
opta-se pelo emprego de emissários submarinos (com ou sem tratamento anterior),
dependendo da qualidade e do volume envolvido. Considera-se, também, a
proximidade com grandes corpos receptores como oceanos.
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
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As indústrias produzem efluentes cujos volumes são bem inferiores aos urbanos,
todavia, o nível de concentração dos contaminantes é bem maior. Quase que em sua
totalidade são obrigadas a tratar seu efluente, de forma a atender a legislação em
vigor.
O tipo de tratamento empregado irá depender de uma série de fatores, entre eles
podemos citar: as características físico-químicas do efluente, proximidade dos corpos
receptores, disponibilidade de recursos hídricos na região, legislação vigente, nível de
tecnologia e custos de implantação e operação.
5.1- Processos Físicos:
O separador mais utilizado é o do tipo API.
Esse sistema consiste em duas ou mais câmaras retangulares, comumente chamadas
de piscinas. Por elas o despejo flui horizontalmente, e o óleo livre e os sólidos
decantáveis são separados e removidos da massa líquida.
O princípio de separação é o de diferença de densidade.entre o óleo e a água,
puramente físico. O escoamento nessas câmaras é perfeitamente laminar. O óleo por
ser mais leve que a água vai para a superfície e os sólidos vão para o fundo.
As câmaras ou piscinas são dotadas de raspadores de deslocamento ou raspadores
montados sobre pontes rolantes, que se deslocam entre os extremos das mesmas. Em
um sentido a ponte raspa o óleo, e no sentido oposto ela raspa os detritos que
sedimentaram. O óleo é coletado por um tubo do tipo flauta e enviado ao processo. Os
sólidos são enviados para a estação de tratamento de resíduos sólidos e a água
contendo somente contaminantes dissolvidos, é enviada para a próxima etapa do
tratamento, referente à remoção bioquímica dos contaminantes remanescentes.
Os separadores são geralmente dotados de rolos coletores, tanques pulmão, (cuja
finalidade é a de armazenar excedentes de vazão) e bombas para o recalque das
correntes separadas.
Para atender ao princípio do fluxo laminar, o ideal é que a escolha do local para sua
construção seja em uma área mais baixa que a das unidades de processo. Se não for
possível essa concepção, que sua alimentação seja feita por bombas do tipo parafuso,
que tem como característica o fluxo laminar.
A figura abaixo representa um separador API:
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5.2- Processos Biológicos:
5.2.1 - Lagoas de Aeração
Correspondem ao tratamento biológico e representam geralmente a segunda fase do
tratamento de efluentes(tratamento secundário), sendo precedidas por um tratamento
físico de separação (tratamento primário). Utiliza-se Lagoas de aeração sempre que a
demanda por oxigênio for muito grande em comparação com a capacidade natural de
aeração da massa líquida.
Um dos métodos mais empregados para o fornecimento de oxigênio é a utilização de
aeradores. O aerador consiste em um agitador com potência suficiente para levantar
parte da água a sua volta, promovendo o contato da massa líquida com o ar
atmosférico, elevando dessa forma a concentração do oxigênio dissolvido na água.
A oxigenação é necessária no sentido de promover a oxidação de determinados
compostos e prover os microrganismos heterótrofos necessários para a degradação da
matéria orgânica. Mantém, também, toda a massa em suspensão, impedindo a
formação de regiões anaeróbicas nas lagoas que compõem o sistema.
5.2.2- Lodos Ativados
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O processo de Lodo Ativado consiste na aeração do esgoto por um período de tempo,
necessário à formação de uma massa de sólidos sedimentáveis.
Uma parte desses sólidos é formada por uma massa ativa de microrganismos,
responsáveis pela estabilização da matéria orgânica. Esses microrganismos se
agrupam em flocos dentro do lodo formado. Parte desse lodo é produzida no tanque de
aeração e nos decantadores, retornando deste para o tanque de aeração, para
alimentar mais ainda as bactérias (recirculação).
Geralmente a grande maioria dos resíduos já contém microrganismos necessários ao
processo. A qualidade do efluente no processo de lodo ativado depende do
desenvolvimento adequado desses microrganismos, através de condições ótimas de
operação como aeração, temperatura e pH.
O alimento é a matéria orgânica, os microrganismos são as bactérias (maioria) e mais
fungos e protozoários. Os nutrientes necessários ao processo são fósforo e nitrogênio.
O sistema é composto basicamente por um sistema de gradeamento, uma caixa de
areia, um tanque de aeração, um decantador, um biodigestor e um sistema de
secagem do lodo:
O gradeamento tem a finalidade de reter o material grosseiro;
A caixa de areia tem a finalidade de reter a areia arrastada pelo processo;
O tanque de aeração tem a finalidade de:
Satisfazer o metabolismo dos microrganismos com o oxigênio necessário;
Manter agitação dos flocos de modo a evitar a sua decantação e a formação
de áreas anaeróbicas;
Retirada dos produtos voláteis do metabolismo.
Os decantadores têm a finalidade de promover a separação dos sólidos da
massa líquida que abandona o tanque de aeração, promovendo um efluente
clarificado, pronto para o despejo ou para a unidade de reuso. O lodo retido
nos decantadores poderá ser devolvido ao tanque de aeração ou ser
tansferido para o biodigestor, dependendo da idade desse lodo.
O biodigestor tem a finalidade de promover a oxidação dos microrganismos
aeróbicos;
O sistema de secagem poderá ser do tipo leito de secagem, filtro prensa,
centrífuga e forno de secagem. Sua importância está na necessidade de
reduzir, ao máximo, o volume do material inerte a ser disposto em aterro,
barateando o processo.
O esquema abaixo representa as opções de arranjo mais adotadas em indústrias:
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Processos Físicos
Lagoas de Aeração
Lodos Ativados
A figura abaixo representa um esquema de funcionamento de uma estação de lodo
ativado
5.3 - Reuso nas Estações de Tratamento de Efluentes:
A adoção do reuso nos processos de tratamento de efluentes é cada vez maior. As
indústrias estão adequando a água antes despejada nos corpos receptores, para suprir
as necessidades de irrigação de jardins, descargas em banheiros, pressurização de
sistemas de incêndio, água de reposição de torres de resfriamento, etc.
As duas principais razões que motivaram as empresas a adotar essa prática foram a
necessidade da obtenção da outorga para uso de água e a iminente cobrança pelo
volume de água consumido e também pelo despejado, mesmo sendo esse tratado.
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
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Outra razão está no desenvolvimento de técnicas de tratamento que propiciaram ao
barateamento dos custos.
Uma técnica bastante interessante é a utilização da ultrafiltração nos efluentes das
lagoas de aeração e lodos ativados. Promove um efluente de ótima qualidade a água,
tornando-a insípida e cristalina.
5.4 - Reflexão
“Não tem sentido opor meio ambiente e desenvolvimento, pois a qualidade do primeiro
é o resultado da dinâmica do segundo”.
Desenvolvimento e preservação ambiental sempre foram termos antagônicos. Até bem
pouco tempo, não se podia imaginar que ambos pudessem conviver em um mesmo
ambiente sistêmico. Contudo, a rapidez com que o homem devasta o meio ambiente,
comprometendo seriamente a sua própria existência, forçou-o a tomar medidas que
propiciassem uma condição de maior equilíbrio, na qual se busca o desenvolvimento
com o menor impacto ambiental possível.
A falta de uma consciência holística no que tange a ecologia, por parte de vários
seguimentos da sociedade, fez com que muitos acreditassem que não haveria
escassez de recursos naturais. Isso levou as sociedades a buscar o desenvolvimento
em detrimento do meio ambiente, através de atividades que consumiam os recursos
naturais de forma indiscriminada e lançavam seus despejos sem o tratamento
adequado.
O iminente colapso dos recursos, principalmente hídricos (primeiramente sentido na
Europa) culminou com o surgimento da consciência ecológica por parte da sociedade.
Foram criadas e alteradas as legislações ambientais, intensificaram-se cobranças
governamentais, como forma de impelir as empresas a buscar formas mais limpas de
produção:
- Estações de tratamento de efluentes, estações de reuso de água, filtros que reduzem
emissões atmosféricas, plantas industriais com curvas térmicas eficientes, unidades
com elevado nível de automação e plantas de processo que demandam matérias
primas menos nobres.
Os exemplos acima são todos ligados à produção mais limpa. São geradoras de
menos efluentes industriais, mas que, aumentam os custos da produção e o preço final
das mercadorias.
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
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No final dos anos 80 mercados mais desenvolvidos passaram a exigir certificados e
padrões mínimos de qualidade para as mercadorias importadas. Isto concorreu para
que outros países também buscassem o atendimento a essas novas demandas,
procurando evitar a perda de mercado. Os governos receosos pela perda de divisas e
sua repercussão sobre suas balanças de pagamento, aprovaram leis mais severas na
área ambiental.
A sociedade e os meios de comunicação combatem, cada vez mais as empresas que
degradam o meio ambiente, cobrando dos governos medidas que garantam o
cumprimento da lei.
Esta nova ordem leva o empresário a repensar a questão ambiental, não mais sob o
ponto de vista puramente ecológico, mas, como sobrevivência da própria empresa.
Passivos ambientais elevados podem inviabilizar o negócio e até mesmo tornar a
empresa desinteressante para a venda. A imagem poluidora impacta negativamente os
resultados, dificulta contratos com “parceiros” e sua penetração em novos mercados.
Em contrapartida, empresas limpas têm forte aceitação por parte da sociedade. Estas
espelham modernidade, prosperidade, qualidade, compromisso e empatia junto ao
público, formando um conjunto forte de fatores de diferenciação.
Por tudo isso, realmente a qualidade do meio ambiente é o resultado da dinâmica do
desenvolvimento.
(d) Tratamento de água para caldeira
A qualidade da água de reposição para uma caldeira depende de vários fatores.
Entre eles, do projeto da caldeira, da temperatura e pressão de operação, da
capacidade da caldeira, da quantidade de condensado retornado e das análises da
água bruta. A escolha da combinação dos diversos tratamentos depende de uma
análise apurada destes fatores. Quanto maiores os níveis de temperatura e pressão,
mais rigoroso deve ser o tratamento. Portanto, uma água de alimentação de caldeira
deve ser totalmente isenta de sais e gases dissolvidos, conhecidos como tratamentos
externos. Anteriormente, abordamos o processo de desmineralização, detalhadamente.
Os tratamentos internos consistem em adicionar produtos químicos em quantidade
adequada à água da caldeira para equilibrar o pH e combater os gases dissolvidos
causadores da corrosão formando, com os sólidos dissolvidos e em suspensão,
produtos que possam ser eliminados através da purga de superfície e de fundo.
(d.1) Desaeração e Tratamento de condensado (tratamentos externos)
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
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Desaeração é o método usado para retirar os gases dissolvidos da água com
equipamentos chamados desaeradores. Consiste em bombear a água através de
bocais finos quebrando sua tensão superficial e aquecê-la através da passagem
de vapor em contracorrente. A água praticamente pulverizada e aquecida libera
os gases nela contidos, que são removidos para a atmosfera pelo vent do
desaerador.
A Figura 2 mostra detalhes do desaerador:
Figura 2 – Detalhe do desaerador
É usual fazer-se o tratamento do condensado reutilizado, que poderá passar por
filtros de cartucho com celulose e em resinas polidoras, a fim de reter partículas
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
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decorrentes de corrosão e/ou cavitação.
(d.2) Tratamento interno
São tratamentos realizados na água de caldeira pela adição de produtos químicos.
Tratamento com hidrazina
Os gases dissolvidos devem ser eliminados da água pela desaeração. Entretanto,
para garantirmos sua completa eliminação é comum a utilização da substância
hidrazina, que reage com o oxigênio, resultando em água e hidrogênio que é
um gás inerte.
N2H4 + O2 N2 + 2H2O
A vantagem do uso da hidrazina é não aumentar o teor de sólidos dissolvidos e, além
disso, aumentar o pH do vapor produzido.
Tratamento com fosfato
Produtos à base de fosfatos e alcalina de hidroxida são adicionados à água
contida na caldeira para reagir com os sais de cálcio e magnésio e formar uma
lama não aderente. Esta lama deve ser retirada periodicamente por meio da
extração de fundo. Pode ser necessária a adição de dispersantes que impeçam
a sedimentação e auxiliem na remoção da lama.
Não usamos este método quando não é possível fazer esta purga de fundo.
Tratamento com soda
Em caldeiras mais antigas onde não é possível a purga de fundo usamos (1) a
adição de hidróxido de sódio para manter a alcalinidade da água – isto evita
que ela não se torne corrosiva – e (2) a purga de superfície para manter os sólidos
dissolvidos sobre controle.
Devido à possibilidade de corrosão por concentração de soda sob depósitos de
oxido de ferro – fragilidade cáustica do metal –, a alcalinidade parcial (VP) deve
ser rigorosamente controlada.
Tratamento do condensadoPETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008
Quali f icAbastQual i f icAbast73
A fim de neutralizar o ácido carbônico formado nas linhas de condensado,
utilizamos amônia ou aminas voláteis (morfolina e ciclo-hexilamina), para elevar o
valor do pH cima do patamar de 8,3 e inibir o ferro de corrosão.
(d.3) Parâmetros de controle
A seguir são listados alguns dos parâmetros de controle mais importantes para
os diversos tratamentos da água:
Fosfato: entre 10 e 20ppm. (curva);
pH: acima de 9,0;
Condutividade (medida indireta dos sólidos dissolvidos): menor que
250mho/cm (a 25ºC);
Sílica: menor que 1,5ppm;
Dureza: mede cálcio e magnésio e causa espuma e arraste. Deve ser zero;
Sólidos totais dissolvidos: alcalinidade/sólidos totais dissolvidos > 20% =
espuma;
Alcalinidade F(VP) parcial: mede hidróxidos e carbonatos. Máximo 30ppm;
Alcalinidade M(VM) total: mede hidróxidos, carbonatos e bicarbonatos.
Máximo 50ppm;
Relação VM/VP = 1,2 a 1,5;
Óleo: causa espuma, ausente.
(d.4) Alimentação de produtos químicos
Os produtos químicos (fosfato, soda cáustica, dispersantes, etc.) são preparados
em vasos próprios e dosados nas caldeiras através de bombas dosadoras.
Essas bombas normalmente são bombas alternativas (alta pressão na descarga).
Elas efetuam a dosagem diretamente no tubulão inferior ou na água de
alimentação (após o desaerador, na sucção das bombas de alimentação) no
caso particular da dosagem de hidrazina.
(e) Tratamento da água de refrigeração
Na maioria dos processos industriais que geram uma certa quantidade de calor
durante sua operação há a necessidade de resfriamento de equipamentos e
maquinarias em geral. O fluido geralmente utilizado para dissipar esse calor é a
água. A água tem baixo custo e boas características físicas, como, por exemplo,
alto calor específico e baixa viscosidade.
Após sua utilização, podemos eliminar a água do sistema ou então resfriá-la
e reaproveitá-la.
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
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Os sistemas de tratamento da água de refrigeração podem ser classificados em
três categorias:
sistema aberto;
sistema semi-aberto de recirculação;
sistema fechado.
A escolha entre estes sistemas depende dos fatores abaixo:
quantidade de água disponível;
qualidade da água;
temperatura da água;
tipo de operação;
tamanho do equipamento;
limitações da qualidade do efluente industrial, etc.
(e.1) Sistemas abertos
Sistemas abertos, ou de passagem única (“once-through”), são aqueles cuja
água de refrigeração, após passar pelos equipamentos, não mais retorna a eles.
Ela é descarregada no local de origem ou em outro local.
Por causa do grande consumo, este sistema somente é utilizado quando existe
suficientemente disponibilidade de água. Refinarias, indústrias químicas e usinas
termelétricas quando localizadas no litoral muitas vezes utilizam água do mar
como meio de resfriamento.
Apresenta como desvantagem a impraticabilidade do tratamento químico da água
para a prevenção de problemas de corrosão e de incrustação devido ao custo
excessivo do tratamento e do lançamento de produtos químicos poluentes no
local de despejo. Além disso, a poluição térmica resultante da descarga de
grandes volumes de água quente pode tornar-se problemática em muitas
regiões.
(e.2) Sistemas semi-abertos de recirculação
São aqueles em que a água que circula pelos equipamentos é refrigerada em uma
torre de resfriamento, ou outro sistema aberto ao ar, e retorna para posterior uso,
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
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já a uma temperatura adequada.
Este sistema consiste na reutilização da água de resfriamento depois de resfriada
na torre de resfriamento, seguindo um círculo fechado, no qual se adiciona apenas
uma pequena quantidade de água de reposição (“make- up”) destinada a cobrir as
perdas que se verificam durante o ciclo.
Este tipo de sistema é utilizado quando a vazão de água requerida é grande e a
disponibilidade de água é limitada. Suas principais vantagens são:
Segurança no fornecimento de água fria;
Pequena reposição de água em cada ciclo, apenas para substituir a que se
perde por respingos, drenagens e vazamentos;
Possibilidade de emprego econômico e eficaz de tratamento para água.
(e.3) Sistemas fechados
São aqueles em que a água circulante pelos trocadores de calor é refrigerada por
meio de um outro fluido que não entra em contato com a água. Este sistema
permite manter a água de refrigeração em temperaturas mais baixas ou mais altas
que os anteriores.
(e.4) Termos usuais em sistemas de refrigeração
Purga
É a eliminação intermitente ou contínua de parte da água em circulação para
manter o teor de sólidos nela dissolvidos. Os vazamentos no sistema de
resfriamento e as perdas por arraste implicam menor quantidade de purga
necessária. A purga é expressa em porcentagem da água em circulação.
Faixa de resfriamento
É o quantum em °C ou °F de queda da temperatura da água da torre. É a
diferença entre a temperatura da água na entrada e na saída da torre.
“Approach”
É a diferença entre a temperatura da água fria na saída da torre e a
temperatura de bulbo úmido do ar junto à torre. Este valor é muito importante porque
representa a menor temperatura que pode ser obtida na água resfriada.
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
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Fe + H2O + ½ O2 -> Fe(OH)2
2Fe(OH)2 + H2O + ½ O2 -> Fe2O3 . 3H2O
Carga calorífica
É a quantidade de calor dissipado na torre. Calcula-se multiplicando a vazão pela
faixa de resfriamento.
Ciclos de concentração
Indica quantas vezes a concentração de sólidos na água em circulação é maior do
que a concentração de sólidos na água de reposição. Normalmente expresso em
concentração de cloretos.
(e.5) Não conformidades na água de refrigeração
Na água destinada à refrigeração, podermos ter as seguintes características não
desejáveis: corrosão, incrustação, depósitos, formação de algas ou deterioração da
madeira.
Corrosão
O ferro se corrói em água pura contendo oxigênio dissolvido, formando hidróxido
ferroso (escuro) e óxido férrico hidratado (ferrugem), de acordo com as equações:
As principais características da água que afetam sua corrosividade são a
quantidade de oxigênio dissolvido, o pH e o teor de sólidos dissolvidos e em
suspensão. Também a presença de CO2 e outros gases dissolvidos, bactérias
outros microorganismos exercem influência. Quanto aos fatores operacionais,
os principais são a temperatura e a velocidade da água.
Fatores que influenciam a corrosividade da água:
Oxigênio dissolvido – O oxigênio é um pré-requisito para haver corrosão. Isto
se aplica ao ferro, ao cobre, ao zinco, às ligas de cobre (latão, bronze) e à
maioria das ligas de níquel, que corroem mais depressa na presença de
oxigênio ou outros oxidantes.
Sólidos dissolvidos – De um modo geral, quanto maior a quantidade de sais
dissolvidos na água, maior sua corrosividade por causa do aumento da
condutividade elétrica. O íon cloreto, em particular, exerce um efeito acelerador
da corrosão, interferindo na formação de filmes protetores e inibindo a atuação de
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
77
cromatos. A água do mar é, por este motivo, um dos mais energéticos agentes
corrosivos naturais.
Temperatura – Como em toda reação química, o aumento da temperatura
provoca aumento na taxa de corrosão do aço. Em sistemas abertos, ou seja,
sistemas em que o oxigênio dissolvido tem possibilidade de escapar para a
atmosfera, verifica-se que a taxa de corrosão cresce continuamente até 70, 80°C,
quando então passa a decrescer. A causa é que acima dessa temperatura, a
solubilidade de O2 na água diminui rapidamente e assim os teores de O2 dissolvidos
são cada vez menores. Por causa desse aumento na corrosividade da água com a
temperatura, é prática usual limitar a temperatura ao sistema de resfriamento em 50°C
(120°F).
Efeito do pH – O pH é um importante fator no controle da corrosão. Muitos
(mas não todos) metais são resistentes em soluções alcalinas (pH superior a 7),
mas são atacados em meios ácidos (pH inferior a 7).
Sólidos em suspensão – A água de refrigeração é, muitas vezes, uma fonte
de sólidos em suspensão, em forma de areias, matérias orgânicas, produtos de
corrosão, contaminação pelo processo, algas e lamas coloidais. Os sólidos ao se
depositarem no sistema aumentam muito a possibilidade de desenvolvimento de
corrosão localizada por aeração diferencial. Além dos problemas de corrosão que
acarretam, os sólidos em suspensão diminuem a eficiência da transferência dos
tubos, impedindo a unidade de continuar operando.
Corrosão-erosão - Erosão é o desgaste mecânico de um material metálico
produzido pela incidência direta de um fluido sobre sua superfície. Como
exemplos de equipamentos sujeitos à erosão, podemos citar as válvulas, bocais de
entrada e saída de vasos e permutadores, tubos e quebra-jatos de
permutadores, impelidores, curvas de tubulações, bombas, centrífugas, agitadores,
lâminas de turbinas, linhas de vapor, chicanas, etc. A corrosão- erosão é a
combinação do desgaste mecânico provocado pela erosão e ação química da
corrosão. O resultado final será um desgaste muito maior do que se apenas o
processo corrosivo ou erosivo agisse isoladamente. Este problema é comum em
equipamentos que operam sob condições de turbulência, fluxo em duas fases,
mudanças de direção ou quando há partículas sólidas no líquido. O fator mais
importante para o desenvolvimento da corrosão–erosão é a velocidade de
escoamento. A taxa de desgaste é, de forma aproximada, proporcional ao cubo
da velocidade. Em alguns casos, a velocidade de escoamento pode até diminuir
o ataque, permitindo que um inibidor atinja de forma mais eficaz a superfície metálica.
Assim, menos NaNO2 é requerido para proteger o aço em água potável quando a
velocidade é aumentada. Por outro lado, velocidades de escoamento muito baixas
também causam problema, pois podem levar à formação de condições de estagnação PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008
Quali f icAbastQual i f icAbast78
em curvas, sob depósitos e em frestas, com acúmulo de sujeira e produtos de
corrosão. Nestas condições, criam-se áreas anódicas devido à aeração diferencial
e, daí, a corrosão localizada sob os depósitos.
Outros fatores que influenciam a corrosão são a dureza e angulosidade das
partículas sólidas, as características corrosivas dos fluidos, o pH da água, etc.
Depósitos e incrustações
Depósitos são constituídos de material fracamente aderido à superfície metálica.
Incrustações (“scale”) são formadas por material inorgânico duro e aderente.
Ambos causam vários problemas ao sistema de resfriamento, tais como:
Obstrução da água circulante, com a conseqüente diminuição da vazão
e aumento da temperatura do sistema e aumento da queda de pressão
requerendo maior potência gasta para bombear a água;
Formação de pilhas de aeração diferencial, provocando corrosão sob
depósitos;
Redução da eficiência nas trocas térmicas pelo fato de crostas e
depósitos serem isolantes;
Maior freqüência nas paradas para limpeza do sistema, ocasionando
perda de produção.
Depósitos são oriundos de uma ou mais causas, como as abaixo
relacionadas:
Sólidos em suspensão – Os sólidos suspensos na água tendem a
se depositar em regiões de baixa velocidade (inferior a 1m/s). Além
disso, partículas coloidais coagulam por aumento de temperatura,
formando depósitos.
Depósitos metálicos – Os Íons Cu2+ na água de resfriamento depositam
cobre metálico sobre tubos de aço, de acordo com: Cu2+ + Fe ® Cu
+ Fe2+. O cobre metálico depositado forma uma pilha galvânica com
o ferro vizinho e provoca pites. A origem da presença dos íons Cu2
na água pode ser tanto devido à corrosão de tubos e válvulas de
latão (ligas de cobre e zinco) como à adição de CuSO 4 usado
como algicida.
Produtos de corrosão - Íons de Fe2+ introduzidos pela água de
reposição ou formados por corrosão provocam depósitos volumosos
de óxidos férricos devido à oxidação pela água airada ou clorada de
acordo com: 2 Fe2 + 4OH– + H2O + 1/2 O2 -> Fe2O3 . 3 H2O.
Incrustações ou crostas são depósitos aderentes, precipitados ou cristalizados na
superfície de troca térmica. Mudanças físico-químicas na água fazem com que a PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008
Quali f icAbastQual i f icAbast79
3
concentração de um sal exceda sua solubilidade numa dada temperatura,
provocando sua supersaturação e sua precipitação sob a forma de cristais.
Na fase de nucleação, os pontos de crescimento dos cristais aumentam, e após
um certo tempo de contato são formadas as incrustações. Com o passar do
tempo elas vão endurecendo e tornando-se aderentes e difíceis de remover. Uma
incrustação com 0,25mm de espessura é suficiente para reduzir o coeficiente de
transferência e calor no trocador em até 80- 90%. Daí a importância de sua
prevenção.
Os principais fatores que influenciam a formação de incrustrações são:
Aumento de temperatura – Muitos sais diminuem sua solubilidade com o
aumento da temperatura. O exemplo mais importante é o sulfato de
cálcio, que a 40°C é muito mais solúvel que o carbonato de cálcio (2.000
CaSO4 contra 40 ppm CaCO3), mas em temperaturas mais altas tem sua
solubilidade reduzida para a faixa 300-500ppm.
Aumento da alcalinidade – Em condições alcalinas, a solubilidade do CaCO3
diminui, aumentando sua tendência incrustante. Por outro lado, para pH < 6, a
crosta de CaCO3 é dissolvida : CaCO3 + H2SO4 CaSO4 + CO2 + H2O.
Baixa velocidade de fluxo – Permite maior tempo para a nucleação e para
o crescimento dos cristais, propiciando a formação de incrustação densa e
aderente.
A corrosão da tubulação aumenta sua rugosidade e permite o estabelecimento de mais
pontos de nucleação e crescimento de cristais. Isto favorece a formação de
incrustações. Da mesma forma, a atividade microbiológica permite a formação de
depósitos sob os quais ocorre, de forma localizada, corrosão por aeração diferencial,
o que também contribui para a formação de incrustações.
Principais agentes incrustantes:
Carbonato de cálcio – O carbonato de cálcio é o principal agente causador
de incrustações em sistemas de resfriamento. Quando a água é aquecida,
ocorre precipitação de CaCO3, que provoca incrustações nas tubulações.
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80
Sulfato de cálcio – CaSO4 forma incrustações por aumento de temperatura,
uma vez que sua solubilidade cai rapidamente com a temperatura, tornando-o
supersaturado, provocando, então, sua precipitação.
Sílica – Presença de sílica solúvel, junto a sais de magnésio ou cálcio, forma
incrustações vítreas:
Na2SiO3 + Ca2+ -> CaSiO3 + 2 Na+ ;
Na2SiO3 + Mh2+ -> MgSiO3 + 2 Na+
Interferência dos organismos vivos nos sistemas de tratamento de água
Os organismos vivos que habitam a água interferem nos sistemas de água das
seguintes maneiras:
· Formação de limo nos trocadores de calor, tubulações, paredes de tanques, bacia
da torre e enchimento das torres. Estas colônias agem como isoladores de troca
térmica, provocam corrosão sob depósitos, ajudam a formação de pilhas de
aeração diferencial e absorvem sólidos suspensos para produzir os “biofouling”
que restringirão os fluxos de água nos sistemas;
· Redução da eficiência das torres de refrigeração pelas algas, cujo crescimento
pode bloquear tubos distribuidores de água nos tipos de fluxo cruzado e impedir
uma boa circulação de ar, pela formação de cortinas nas chicanas laterais;
· Formação de limo bacteriano nos filtros de areia, impedindo uma boa filtração e
reduzindo a eficiência da contralavagem;
· Interferência nas unidades de abrandamento ou desmineralização, por envolvimento
as resinas pela massa gelatinosa do limo, tendo como conseqüência uma troca
iônica prejudicada;
· Ataque à celulose da madeira pelos fungos, provocando um apodrecimento da
estrutura e do enchimento das torres;
· Corrosão do metal e concreto pelo crescimento de bactérias redutoras de sulfato,
enxofre, ferro, nitrificantes e desnitrificantes, dando como resultado corrosão
localizada, corrosão generalizada, tuberculação e deterioração do concreto.
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81
2
Depósitos biológicos
A proliferação de algas, fungos, bactérias formadoras de limo e bactérias
modificadoras do meio ambiente pode causar problemas de deposição nos
trocadores, chegando, em certos casos, à sua obstrução. Além da diminuição na
transferência de calor e no fluxo de água, eles podem propiciar a formação de pilhas de
aeração diferencial com intensa corrosão sob depósito.
A matéria biológica atrai outros tipos de depósitos em virtude de sua natureza adesiva,
tais como silt, lama, produtos de corrosão e outros precipitados inorgânicos, como
os de polifosfatos hidrolisados. O problema poderá ser agravado com o
aparecimento de bactérias anaeróbias, como as redutoras de sulfato, que geram
H2S e atacam os metais, gerando os sulfetos correspondentes conforme as
reações seguintes:
SO4 = bactérias S =
S = +2H2O H2S + 2OH
H2S + Fe FeS + H2
Águas ferruginosas, contendo elevadas concentrações de ferro divalente (Fe++), poderão
formar elevada tuberculação de ferro trivalente (Fe+++) pela ação das bactérias
ferro-oxidantes.
Na água do mar, além dos problemas acima relacionados, há a presença adicional
de protozoários, mexilhões e serrípedes que poderão formar depósitos
extremamente duros e aderentes.
Deterioração da madeira das torres
A madeira é constituída essencialmente de celulose, lignina e extratos naturais.
A celulose é a parte fibrosa que confere sua resistência; a lignina aglutina estas
fibras; e os extratos naturais e substâncias orgânicas impedem o apodrecimento
prematuro da madeira. O enchimento e a estrutura de madeira das torres de
refrigeração estão sujeitas a três tipos de ataque: químico, físico e biológico.
Ataque químico – O ataque químico à madeira é dirigido diretamente à
lignina, sendo os agentes causadores do ataque as lixívias alcalinas e os
agentes oxidantes fortes. A lignina se solubiliza, e resta à madeira
apenas a celulose em seu aspecto fibroso. O ataque poderá ser superficial ou
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profundo, conforme o tempo de exposição, os valores de pH utilizados e as
concentrações dos agentes oxidantes.
Ataque físico – O ataque físico poderá ser decorrente de elevadas
temperaturas ou de erosão por partículas em suspensão. As temperaturas
altas são responsáveis pela remoção dos extratos naturais e facilitam o
ataque biológico.
Ataque biológico – Os hidratos de carbono constituem fonte de nutrição
para os fungos. Os basidiomicetos e fungos imperfeitos são os
microorganismos mais diretamente relacionados a este problema. A
deterioração biológica pode acontecer tanto na parte externa como na
parte interna da madeira. Neste último caso, o apodrecimento é mais
difícil de ser tratado. Os fungos filamentosos da família dos Aspergillus,
Penicillium, Mucor, Fusarium e Alternaria são responsáveis pela destruição
superficial da madeira. As leveduras da família dos Torulas e
Saccharomyces são responsáveis pelo descoramento da madeira. Os
basidiomicetos da família dos Porio e Lenzitos ocasionam o
apodrecimento interno da madeira.
(e.6) Objetivos dos tratamentos
Os tratamentos da água para caldeira têm o objetivo de prevenir problemas
causados por corrosão, incrustações, depósitos, formação de algas e
deterioração da madeira.
Inibidores de corrosão
O combate à corrosão em sistemas de resfriamento fechados e abertos com
recirculação é feito adicionando à água produtos químicos denominados
inibidores, que reagem quimicamente com o metal ou se absorvem nas
superfícies, prevenindo o processo corrosivo.
Conforme os inibidores interfiram na reação catódica ou anódica, podem ser
classificados em:
Anódicos;
Catódicos;
Mistos (associação de inibidores).
Os inibidores anódicos atuam polarizando as regiões anódicas pela formação de filmes
aderentes e insolúveis sobre a superfície do metal.
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83
Os inibidores catódicos atuam reprimindo reações catódicas, ou evitando o contato
do oxigênio com o metal que se quer proteger. São classificados como inibidores
catódicos o zinco, os polifosfatos e os fosfonatos orgânicos.
Controle de depósitos e incrustações
Tratamento ácido – Normalmente, usa-se ácido sulfúrico (10%) para
manter o pH na faixa de 6 a 7, para evitar incrustações, adicionando
inibidores para controlar a corrosão.
Tratamentos alcalinos – Ao contrário do anterior, neste tipo de
tratamento trabalhamos na faixa de pH onde a corrosividade da água
é menor, consumindo, assim, menor quantidade de inibidor de
corrosão. Por outro lado, nessa faixa a tendência à incrustação é
maior, requerendo a adição de inibidores de incrustação. Estes
inibidores são produtos que atuam impedindo a precipitação de sais
incrustantes de Ca (carbonato, sulfato) e Mg (hidróxido), quando
utilizados em quantidades muito menores que as estequiométricas. Os
principais são os polifosfatos e os fosfonatos.
Tendência corrosiva ou incrustante da água
Equilíbrio na dissolução e deposição de CaCO3:
O entendimento da estabilidade do carbonato de cálcio constitui um
recurso valioso para avaliar a agressividade da água. A dureza na água de
recirculação deve-se ao bicarbonato de Ca++ (e outros sais de Ca e
Mg). Com a elevação de temperatura ocorre a seguinte reação:
Ca (HCO3
)2 CaCO3
+ CO2
+ H2
O
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Em água não estável, supersaturada, este CaCO3 pode vir a se depositar
sobre a superfície do metal, formando uma camada fina que servirá como
proteção contra a corrosão; porém, com o aumento da espessura deste
depósito, haverá formação de incrustações que poderão acarretar
problemas na troca térmica e entupimento de tubos. Por outro lado, caso
não haja nenhum depósito, haverá tendência para corrosão.
A Figura 5 mostra esta seqüência.
Figura 3 – Deposição de CaCO3
Controle da qualidade da água em circulação:PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008
Quali f icAbastQual i f icAbast85
Inibição de corrosão
A água utilizada nos sistemas de refrigeração do tipo aberto com recirculação
poderá apresentar tendência à incrustação ou corosão nas superfícies dos
equipamentos (tubulações, tubos dos trocadores de calor, etc.) A tendência à
incrustação ou corrosão da água em circulação pode ser conhecida através da
determinação do “Índice de Saturação do Cálcio” (pH-pHS), cujo cálculo foi
desenvolvido pelo professor W. F. Langelier, da Universidade da Califórnia, nos
Estado Unidos.
O valor de pHS (pH de saturação do carbonato de cálcio) é determinado pela
seguinte expressão:
pHS = (9,3 + A + B) – (C + D)
Onde:
A = f (sólidos dissolvidos totais);
B = f (temperatura);
C = f (dureza em cálcio);
D = f (alcalinidade total).
Os valores A, B, C, D são encontrados em tabelas.
Calculando-se valor de IS = pH – pHS, em que o valor pH refere-se à água
em circulação, pode-se ter três condições:
IS < 0 : A água em circulação tem características corrosivas.
IS = 0 : A água está estabilizada (não corrói nem incrusta).
IS > 0 : A água em circulação tem características incrustantes.
Na prática, procura-se manter IS negativo, indicando uma tendência corrosiva da
água em circulação. Porém, são utilizados os chamados inibidores de corrosão,
dentre os quais os mais freqüentes são o polifosfato de sódio e o bicromato de
sódio. A eficiência de inibidores com estes produtos ocorre a um pH de água
entre 6,5 e 7,5.
A ação do inibidor consiste na formação de uma película protetora muito fina,
de grande resistência e flexibilidade, não havendo interferência alguma nas
trocas de calor. Esta película impede a reação de corrosão anódica:
Fe° Fe++ = 2 . e
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Além da aplicação dos inibidores, deve-se manter uma velocidade razoável da
água dos equipamentos, a fim de evitar depósitos, com conseqüente formação
de pites profundos.
Além dos aspectos relativos à corrosão metálica, a água não deverá atacar a
madeira dos elementos de contato. O ataque à madeira poderá ser: químico,
físico ou biológico. Para preservar a madeira é prevista a injeção de um
biocida, a fim de prevenir o ataque biológico. A injeção prévia de cloro na água
bruta, na estação de tratamento de água, previne também o ataque biológico.
Biocidas
Os biocidas e biostáticos são compostos químicos tóxicos utilizados em águas
de refrigeração com o propósito de eliminar ou inibir o crescimento de
microorganismos indesejáveis, de tal forma que não causem danos ao processo de
troca térmica.
Existem algumas considerações relacionadas com o uso de biocidas que devem
ser observadas, tais como:
custo operacional baixo nas concentrações efetivas;
conhecimento de suas características tóxicas;
não ser volátil;
ausência de inflamabilidade e caráter explosivo são desejáveis a fim
de propiciarem seguro manuseio;
possuir um largo espectro de ação com a finalidade de atuar com
eficiência sobre diferentes tipos de microorganismo, entretanto, sendo
inócuo ao homem e a outros animais;
alto grau de degradabilidade é necessário, para evitar problemas com
os efluentes.
Os biocidas utilizados em refrigeração são de dois tipos básicos, os oxidantes e
os não-oxidantes. Os oxidantes mais utilizados são o cloro gasoso, os
hipocloritos de sódio e cálcio, e o dióxido de cloro. Os tipos não-oxidantes são
agentes de superfície ativa, como os sais quaternários de amônia e sais de
fenol clorado, os organossulfurosos, como o metileno bis-tiocianato e o dimetil
ditio-carbonato, além dos compostos organoestanosos.
Cloração
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O cloro e seus compostos são biocidas do tipo oxidante. São os mais utilizados
no controle do crescimento microbiológico da água. Se a taxa de aplicação de
cloro é aumentada até tornar-se suficiente para a oxidação das cloroaminas,
haverá um repentino decréscimo no cloro residual livre até um ponto onde ele
voltará a crescer. Este ponto é chamado de “break-point”.
A temperatura, o valor do pH e a matéria orgânica exercem grande influência
na eficiência bactericida das soluções de cloro ou hipoclorito. Como a ação
esterilizante do cloro deve-se principalmente ao ácido hipocloroso, o valor de pH
indicado para a cloração deverá estar situado entre 6 e 7, onde as
concentrações de ácido hipocloroso são elevadas e o valor de pH não interfere em
diferentes tipos de tratamento.
A velocidade de esterilização aumenta com a temperatura, entretanto, como o
cloro tem sua volatilização elevada nestes casos, seu consumo será
extremamente alto e antieconômico. Doses de 3 a 5ppm normalmente são
suficientes para destruir a matéria orgânica nos sistemas e manter um residual de
cloro livre de 1ppm necessário para eliminar algas, bactérias e fungos.
A aplicação do cloro deverá ser feita durante a madrugada ou ao anoitecer
com o propósito de evitar que a ação da luz consuma cloro além do
necessário.
Dosagens de até 30 minutos deverão ser feitas em um período e, em casos
críticos, em dois períodos, mantendo-se, no retorno de água para a torre, um
residual de cloro livre de 1.
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[Sistemas térmicos e de ar comprimido
(a ) Sistema s térmicos
(a.1) Vaporização da água
Quando uma quantidade de calor é fornecida a uma determinada massa de água à
pressão constante, observa-se um aumento da temperatura da água até que se
inicie o processo de vaporização. A partir deste ponto, não é observada mudança de
temperatura até que a vaporização se complete, quando, então, qualquer calor adicional
implicará superaquecimento do vapor. A Figura 1 a seguir ilustra o processo de
vaporização da água a pressão atmosférica.
Em pressões mais altas a vaporização ocorre a temperaturas mais altas. Para cada
pressão de saturação teremos uma correspondente temperatura de saturação e
vice-versa. Estes valores podem ser encontrados nas tabelas de vapor saturado.
Figura 1 – Vaporização da água
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(a.2) Propriedades do vapor d’água
Título
É a relação entre a massa de vapor e a massa total de líquido mais vapor. Só
existe na mistura água mais vapor e varia de 0 (líquido saturado) até 1 (vapor
saturado seco).
Entalpia
É a quantidade de calor armazenado por uma substância (em kcal/kg). A entalpia
do vapor é a quantidade de calor fornecida à água para aquecê-la, vaporizá-la e
superaquecê-la. Os valores de entalpia podem ser obtidos no Diagrama de Mollier.
(a.3) Cuidados no manuseio do vapor
Vapor de alta pressão pode ser ouvido, mas não visto. Além disso, vazamentos de
vapor de alta pressão podem cortar objetos sólidos.
Figura 2 – Jato de vapor
O vapor pode danificar os selos das bombas e
instrumentos. Bloqueie ou contorne os
equipamentos que possam ser danificados.
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
90
Vapor pode se condensar a 1/1600 do seu volume
original. Esta redução em volume pode causar
vácuo elevado. Abra “vents” para evitar isto.
Se estiver drenando um vaso em que esteja
sendo injetado vapor, assegure-se que a
vazão de vapor seja maior que a
condensação mais vazão de drenagem.
O uso de vapor é um modo freqüente de adicionar
água ao óleo aquecido sem intenção, tanto por injeção
direta como por meio de vazamentos em serpentinas.
Tome precauções apropriadas para prevenir
transbordamento devido à formação de espuma.
A aplicação súbita de vapor em equipamentos frios pode
causar ruptura do equipamento por choque térmico
ou martelo hidráulico. Abra o vapor lentamente.
O aquecimento por vapor pode originar tremendas
pressões em vasos ou tubulações completamente cheios
de líquidos e bloqueados. Esteja certo de que há um
espaço de vapor adequado ou mecanismo de alívio
de pressão antes de iniciar o aquecimento.
Vapor d’água pode gerar eletricidade estática.
Tome precauções apropriadas, tais como
Aterramento para reduzir as faíscas.
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
91
O vapor é quente. Tubulações não isoladas podem
ser fontes de sérias queimaduras.
O vapor se respirado pode produzir queimaduras
no pulmão ou sufocamento. Tome cuidado
com descargas de vapor em ambientes fechados.
Conexões de vapor para vasos e equipamentos
podem representar sérios riscos para o pessoal de
manutenção e inspeção de equipamentos.
Desconecte ou raqueteie as linhas de vapor antes
De entrar em vasos e equipamentos.
Sempre abra a válvula de exaustão de uma
turbina a vapor antes de abrir a válvula de entrada
de vapor.
(a.4) Distribuição do vapor
Utilização e características
O sistema de distribuição de vapor é um conjunto de vias de transporte de
energia que interliga os pontos de produção e de utilização. Nesse sistema, a
tendência é de haver sempre uma dissipação, de forma irreversível, de parte da
energia transportada.
Para que haja uma movimentação do vapor dentro de uma tubulação, é
necessário que exista uma diferença de pressões. Toda vez que houver um
fluxo de vapor no interior de um tubo, haverá atrito entre o vapor e as paredes
do tubo. Daí a necessidade de existir uma diferença de pressões. Como
conseqüência, quando se necessita uma determinada pressão e/ou temperatura
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
92
no ponto de utilização, deve-se prever o que acontecerá durante o transporte
desse vapor desde o ponto de produção.
Exemplo:
Considere-se uma caldeira produzindo vapor saturado a uma pressão de
8kgf/cm2, o qual será utilizado a 200m de distância. Dificilmente, pode-se dispor de
uma pressão maior que 7,5kgf/ cm2 no ponto de consumo devido às perdas
por atrito.
A energia tende sempre a deslocar-se dos pontos de temperatura mais alta
para os de temperatura mais baixa. Ou seja, quando existe uma diferença de
temperatura entre dois pontos, haverá fluxo de energia entre eles no sentido da
maior para a menor temperatura.
Assim, uma tubulação instalada no meio ambiente e transportando vapor implica
uma transferência de energia do vapor para o meio ambiente (mesmo que o tubo
esteja isolado), pois a temperatura no interior do tubo será sempre maior que a
externa.
Portanto, para um sistema de distribuição de vapor funcionar satisfatoriamente,
devemos minimizar tanto as perdas de pressão (perda de carga) quanto as
perdas de calor por transferência.
Esse ponto ótimo, com boa performance e perdas mínimas, é conseguido
através de um bom dimensionamento das tubulações.
Uma tubulação subdimensionada trabalhará com velocidades muito altas,
ocasionando perdas de carga muito grandes e, em casos mais críticos,
até mesmo falta de vapor no ponto de consumo. É sabido que
tubulações trabalhando com velocidades muito altas sofrerão erosão e,
conseqüentemente, terão um desgaste prematuro.
Uma tubulação superdimensionada solucionará os problemas de perda
de carga e sempre entregará para o consumo a quantidade necessária
de vapor. O inconveniente, nesse caso, é ter custos mais altos de
tubulação e isolamento térmico As velocidades internas serão baixas,
propiciando perdas por condensação. Em alguns casos, pode até
ocorrer “martelo hidráulico”.
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93
Redução de pressão
Dispondo de uma caldeira gerando vapor a uma determinada pressão, conforme
o grau de superaquecimento, estará sendo atendida uma necessidade de energia do
processo naquela temperatura. Considera-se, no entanto, uma possível mudança
ou expansão da produção, que passe a demandar outro nível de temperatura
para seu funcionamento. Na hipótese desta temperatura ser mais alta que a
fornecida pelo gerador de vapor, investimentos em outros geradores ou formas
de aquecimento tornam-se inevitáveis. Mas, na hipótese do nível de temperatura
ser menor, o uso de vapor à pressão menor que a gerada é,
conseqüentemente, mais econômico.
Níveis de pressão
Ao optar pela existência de outros níveis de pressão, a complexidade do
sistema de vapor estará sendo aumentada. Assim, a escolha dos níveis de
pressão existentes deve ser feita de acordo com alguns critérios.
Numa indústria de porte médio para grande existem, no mínimo, três níveis de
pressão de vapor, chamados de vapor de alta, média e baixa ou exausto. O
vapor de alta será gerado pelas caldeiras da indústria, e, portanto, o que
deverá ter a maior vazão e atenderá às necessidades mais críticas de pressão
e temperatura do processo. O de nível médio será gerado a partir do anterior,
por turbinas e válvulas redutoras, atendendo também às necessidades de
aquecimento do processo.
O vapor de baixa ou exausto é, em geral, produto do uso dos níveis acima
para movimentação de máquinas, devendo ser usado em processos de
aquecimento , quando possível. Todos os níveis devem ter pressão
razoavelmente constante para todos os usuários. Portanto, as turbinas devem
descarregar vapor em condições de pressão e temperatura idênticas por toda a
indústria. Quando isto não for possível, mais um nível de pressão será
introduzido no sistema, com coletores próprios e válvulas redutoras ligando-o
aos outros níveis. Sempre que o processo necessitar de níveis de pressão ou
temperatura diferentes dos disponíveis, a mesma providência deverá ser tomada.
Quanto aos níveis de vapor, o vapor de alta, como mencionado anteriormente, deverá
ser escolhido considerando as necessidades mais críticas de pressão e
temperatura do processo.
Por questões de disponibilidade de materiais, tecnologia e equipamentos, os
níveis de pressão de alta situam-se em torno de 40, 60, 80 ou 120kgf/cm2.
Esta escolha também deverá levar em conta os aspectos de custos PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008
Quali f icAbastQual i f icAbast94
operacionais (tratamento d’água, por exemplo) e de investimento inicial, que são
invariáveis com a pressão de geração.
Como regra geral, deve-se atender às necessidades do processo, com alguma folga,
conforme os custos. O vapor de média também deve atender ao processo,
mas deverá existir um compromisso maior entre custo e otimização do uso da
energia, considerando as possibilidades de uso de turbinas versus válvulas
redutoras.
Em termos de custos operacionais, é mais proveitoso reduzir a pressão de
vapor através de uma turbina do que através de uma válvula. O nível de vapor de
baixa será praticamente uma conseqüência dos equipamentos e níveis usados
nas pressões superiores. Porém, quando da escolha das turbinas que irão gerá-
lo, devemos evitar o uso de níveis de pressão muito baixos e próximos à
região de saturação. Caso o vapor de baixa esteja nestas condições,
dificilmente poderá ter utilidade motora (turbinas), ficando restrito a aquecimento,
e estando próximo da saturação, formará condensado rapidamente, podendo
inundar a linha e sobre- carregar o sistema de vapor.
Controle de pressão
Para se obter vapor em pressão menor que a gerada, usam-se válvulas redutoras.
Estas válvulas controlam o coletor de menor pressão, permitindo a passagem
do vapor de alta pela válvula, e conseqüente redução.
Ao passar pela válvula o vapor mantém seu conteúdo energético, e com a redução da
pressão, a temperatura do vapor praticamente não decresce (decréscimo
insignificante), ficando seu valor além do desejado para o processo. Para
reduzir esta temperatura, é comum que, após as válvulas redutoras, haja uma
injeção de água, chamada borrifo, da mesma qualidade da água de alimentação da
caldeira.
Outro modo de gerar vapor de menor pressão é usando uma das próprias
necessidades do processo industrial: a de acionadores para as máquinas.
Lançando mão de uma turbina de contrapressão, aproveita-se a diferença de
energia do vapor entre uma pressão e outra para gerar trabalho. Nesse caso,
devido à energia cedida à turbina, o vapor de saída, também chamado exausto,
estará enquadrado tanto em pressão quanto em temperatura, não havendo, na
maioria das vezes, necessidade de borrifo.
O uso de níveis de vapor diferentes implicará existência de equipamentos e
coletores projetados para suportar diferentes pressões. Desse modo, não deve PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008
Quali f icAbastQual i f icAbast95
ser permitido de forma nenhuma que a pressão reinante num determinado nível
ultrapasse o limite máximo de resistência do material de construção. Para
garantir esta situação, todos os níveis de pressão devem dispor de válvulas de
segurança, que expulsam vapor para a atmosfera, quando estes limites
estiverem para ser ultrapassados.
Alívio de pressão – Além do simples controle de segurança da pressão,
também existe a preocupação quanto ao fechamento do balanço material de
vapor. O vapor oriundo das caldeiras passará por turbinas e válvulas, perdendo
pressão, aquecendo o processo, etc. Este vapor que entra deverá sair do
sistema sob forma de condensado e retornar à caldeira, para aproveitamento
energético. Caso haja o desbalanceamento das necessidades de vapor de um
nível perante outro mais baixo (por exemplo, muitas turbinas consumindo vapor
de média pressão e poucos consumidores para o vapor de baixa gerado),
haverá uma sobra de vapor no nível mais baixo. Este excesso irá provocar um
aumento de pressão neste nível.
Como o sistema estará funcionando, não há possibilidade de controle de
pressão pela abertura “pop” de uma válvula de segurança, que é momentânea. Assim,
surge a necessidade de outra válvula para controle de pressão nos níveis de
vapor menores, a válvula de alívio de pressão para a atmosfera. Esta válvula
será ajustada para a pressão máxima de operação do nível, atuando de
maneira contínua, descartando a quantidade de vapor necessária à manutenção
do equilíbrio naquele nível.
Vazamentos
A partir do momento que se produz e distribui vapor surgem preocupações
quanto à eficiência térmica e otimização deste sistema, porque lidam com um
insumo valioso, que é a energia. Um dos maiores problemas dos sistemas de vapor
são as perdas de vapor. Alguns são oriundos de necessidades do próprio
sistema, como o descarte para a atmosfera pelas válvulas de alívio, e outros,
por desgaste e deficiência de materiais e instalação, os conhecidos vazamentos
de vapor.
Além da perda de vapor, e conseqüentemente de óleo, e do aumento de custo
operacional inerente, os vazamentos de vapor também implicam:
nível de ruído excessivo na área industrial, gerando problemas de
condições de trabalho e higiene industrial. A maioria dos vazamentos
de vapor tem nível de ruído que os situa numa faixa sonora próxima
às turbinas de aviação.
perda de água tratada, aumentando os custos de operação da caldeira, pelo PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008
Quali f icAbastQual i f icAbast96
aumento da reposição (e produtos químicos).
No caso de alívio de pressão, o problema deve ser solucionado pelo
gerenciamento do consumo de vapor nos vários níveis de pressão, evitando a
geração excessiva em um nível, sem necessidade de consumo. Este
gerenciamento deve ser realizado pela disponibilidade e operação de
acionadores de máquinas elétricas e a vapor.
No caso dos vazamentos, um programa de manutenção constante deve ser
executado, varrendo regularmente a área industrial, constando não apenas de
reparo, mas também de um acompanhamento técnico, propondo soluções e
melhorias de modo a contornar os pontos de vazamento crônico.
Descarte térmico
Em caso da queda ou outro problema relacionado com a caldeira, os gera-
dores não podem manter suas potências nominais de geração. Neste caso
talvez seja necessário um descarte elétrico provocado pela baixa na pressão de
vapor de alta. O descarte elétrico é uma função programada dentro do sistema
do SCMD. Neste caso o sistema SCMD iniciará imediatamente a sincronização
do sistema elétrico da refinaria com a linha da concessionária de energia
elétrica se não estivermos trabalhando em paralelo. Em certos casos de queda
de caldeira, poderá ser necessário parar o turbogerador.
Balanço termelétrico
É o resultado da configuração geral do sistema, ou seja, de racionalização do
uso de acionadores elétricos (motores) e acionadores a vapor (turbinas), de
modo que não existam excessos de produção de vapor em nenhum nível de
pressão (abertura de alívios) ou falta de produção de vapor em algum nível de
pressão (abertura de redutoras).
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Figura 3 – Balanço termelétrico – diagrama simplificado
O sistema balanceado será o mais econômico possível quando as condensações
de vapor forem mínimas. Há um aspecto importante a considerar no que diz
respeito à opção recepção versus geração. A recepção de energia elétrica
implica geralmente consumo de energia elétrica, enquanto a geração implica
gasto de combustível. Atualmente, com a queima de resíduo asfáltico nos
geradores de vapor de alta pressão o custo da energia gerada se torna muito
mais competitivo, somando-se a isto temos o exce- dente da energia que é
vendida à concessionária local, contribuindo para a rentabilidade da planta.
(a.5) Condensado
Problemas devido ao condensado
A presença do condensado nas tubulações e equipamentos de vapor pode
trazer grandes prejuízos à operação e aos componentes do sistema. O
condensado não tem ação motora nem ação aquecedora eficiente. A entrada ou
a permanência do condensado nos aparelhos de aquecimento diminui
grandemente sua eficiência. Pode provocar vibrações e “golpes de aríete” nas
tubulações, quando empurrado pelo vapor em alta velocidade. Esses golpes
ocorrem, principalmente, nas mudanças de direção, em extremos e acidentes da
tubulação. Isso porque as velocidades usuais de projeto de linhas de vapor são
muito maiores (20 a 100 vezes) do que as usadas para a água, e o
condensado é incompreensível.
PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast
98
Pode causar a erosão rápida das palhetas das turbinas, devido ao impacto das
gotas de condensado que, por ventura, fossem carregadas pelo vapor para
dentro das turbinas.
O condensado também pode gerar corrosão ao absorver o CO2 ao misturar-se
com o ar presente nos ambientes por onde passa, formando o ácido carbônico
de alta ação corrosiva. Esta mistura com o ar e gases ambientes também
provoca queda de sua temperatura e eventual resfriamento do vapor.
Sua simples presença nas tubulações de vapor, independente de outros efeitos,
pode prejudicar o fornecimento de vapor na vazão necessária aos consumidores,
porque provoca a redução da seção transversal útil de escoamento do vapor,
ao acumular-se no fundo.
Formação do condensado
O condensado é formado nas tubulações de vapor e nos equipamentos que
consomem vapor por vários motivos. Em tubulações de vapor úmido, o
condensado forma-se por precipitações da própria umidade, e em tubulações de
vapor saturado, aparece em conseqüência das perdas de calor por irradiação ao
longo da linha. Também pode aparecer, em conseqüência do arraste de água,
proveniente da caldeira. Sua formação ocorre em maior escala no momento da
entrada em operação, quando todo o sistema está frio (warm- up) ou quando o
sistema é tirado de operação e o vapor condensa aos poucos no interior dos
tubos.
O condensado forma-se, também, em todos os aparelhos onde o vapor é usado
como meio aquecimento (serpentinas, refervedores, aquecedores a vapor,
autoclaves, estufas, etc.), como conseqüência do consumo da energia contida
nele pelo processo.
Purgadores
Os purgadores de vapor (steam-traps) são dispositivos automáticos que eliminam
o condensado formado nas tubulações de vapor e nos aparelhos de
aquecimento, teoricamente sem deixar escapar o vapor. Por essa razão, esses
aparelhos deveriam ser chamados, com mais propriedade, de “purgadores de
condensado”.
A maioria dos purgadores, além de removerem o condensado, eliminam também
o ar e outros gases incondensáveis (CO , por exemplo) que possam estar
presentes, sendo os dispositivos de separação mais importantes e de emprego
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mais comum em tubulações industriais de vapor. São empregados em dois
casos típicos:
Para eliminação do condensado formado nas tubulações de vapor em
geral (drenagem de tubulações de vapor);
Para reter o vapor nos aparelhos de aquecimento a vapor (aquecedores a
vapor, serpentinas de aquecimento, autoclaves, estufas, etc.), deixando
sair apenas o condensado.
Devem ser colocados, obrigatoriamente, purgadores para drenagem de
condensado nos seguintes pontos de todas as tubulações de vapor:
Em todos os pontos baixos e de aumento de elevação (colocados,
nesses casos, na elevação mais baixa). Denomina-se ponto baixo
todos os trechos de tubulação, qualquer que seja o seu comprimento,
em elevação inferior aos trechos adjacentes.
Nos trechos de tubulação em nível, deve ser colocado um purgador a
cada 100m a 250m; quanto mais baixa for a pressão do vapor mais
numerosos deverão ser os purgadores.
Em todos os pontos extremos (no sentido do fluxo) fechados com
tampões, flanges cegos, bujões, etc.
Imediatamente antes de todas as válvulas de bloqueio, válvulas de
retenção, válvulas de controle e válvulas redutoras de pressão. Os
purgadores destinam-se, nesse caso, a eliminar o condensado que se
forma quando a válvula estiver fechada.
Próximo à entrada de qualquer máquina a vapor, para evitar a
penetração de condensado na máquina.
Os purgadores, instalados com a finalidade de reter o vapor em um aparelho
de aquecimento, devem ser intercalados na própria tubulação de vapor e
colocados o mais próximo possível da saída do aparelho.
A finalidade desses purgadores é aumentar, ao máximo, o tempo de
permanência do vapor dentro do aparelho, para que possa ceder todo o seu
calor
latente, até sair do equipamento como condensado. Se não houvesse o
purgador, o vapor circularia continuamente a alta velocidade, e para que a troca
de calor fosse eficiente, o comprimento da trajetória do vapor dentro do
aparelho (serpentina, feixe tubular etc.) teria de ser enorme. Não havendo o
purgador, tem-se, assim, um consumo exagerado com desperdício de vapor e,
conseqüentemente, um baixo rendimento global do sistema de aquecimento.
A instalação do purgador representa sempre considerável economia de vapor e, PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008
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portanto, de combustível e de dinheiro, desde que sua seleção, projeto de
instalação e acompanhamento de vida útil operacional sejam adequados. Por
todas essas razões, é obrigatória a colocação de purgadores de vapor na saída
de qualquer aparelho de aquecimento a vapor.
Coletores de condensado
A capacidade de tubulações de condensado, como quaisquer outras de
transporte de fluidos, depende do diferencial de pressão aplicado nos pontos
extremos. Não é correto tratar linhas de condensado como se estas fossem
apenas “água quente”, uma vez que há gases presentes (ar, CO2 , etc.) e pode ocorrer
a reevaporação do condensado “flash”, com a queda de pressão ao longo da
linha. Também não é recomendado dimensioná-la como se fosse uma linha de
vapor de menor pressão, é antieconômico. O diâmetro da tubulação de
condensado deve se situar entre o valor da tubulação de vapor de baixa pressão
e a de água líquida nas mesmas condições. Estes parâmetros devem servir apenas
como balizamento para verificação do cálculo.
Um cálculo rigoroso do dimensionamento de tubulações de condensado deveria
levar em consideração a possibilidade de formação de escoamento bifásico
(líquido + vapor). No entanto, como um coletor de condensado pode receber
diversas contribuições, muitas vezes com características diversas de pressão e
vazões certamente variáveis, não é possível a determinação rigorosa do perfil
de pressões ao longo desta linha.
De qualquer forma, é preciso dimensionar linhas de condensado. Existem vários
métodos conhecidos em artigos e na literatura, como, por exemplo, um que conta com
vários anos de uso prático e tem valores razoáveis. Este método leva em conta
a perda de carga ao longo da tubulação e o caimento (mm de diferença de altura/m
de tubulação).
As tubulações de condensado devem ser projetadas para a vazão normal do
sistema em operação. O projeto, a partir de dados máximos (parada e partida),
pode levar a um superdimensionamento desnecessário e não justificável em
nível econômico.
Reutilização de condensado
A recuperação do condensado, nos sistemas de vapor, é realizada por motivos
de ordem econômica. O condensado é o próprio vapor gerado na caldeira, após
ter sido exaurido da maior parte de seu conteúdo energético. Para gerar este vapor, foi
necessário gastar, além do combustível, uma série de produtos químicos para
garantir qualidade ao vapor e proteção contra a corrosão da caldeira. Caso
este condensado fosse descartado, toda a água que entrasse na caldeira com PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008
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estes produtos químicos deveria ser tratada, numa taxa tão grande quanto a
produção de vapor. Além disso, mais combustível seria gasto para aquecer a água à
temperatura do vapor.
Ao recuperar o condensado, reduzem-se os gastos de combustível, devido à
energia contida no condensado, que irá preaquecer a água de alimentação e
reduzir a quantidade de produtos químicos necessários.
Conforme os níveis de pressão existentes na indústria, antes de retornar o
condensado para a caldeira pode-se aproveitá-lo para gerar vapor, usando o efeito de
reevaporação. Dispondo de condensado a uma determinada pressão e levando-
o a um ambiente de pressão menor, parte dele irá tornar-se vapor, porque se
desloca o ponto de equilíbrio líquido-vapor para uma região em que a quantidade de
energia presente permitirá a vaporização. Caso a pressão de reevaporação seja uma
das disponíveis no sistema, mais vapor será gerado para este nível. Um
sistema de reevaporação consiste em um vaso onde ocorre a reevaporação “flash” do
condensado. E, alinhado pelo topo à tubulação do nível de pressão desejado,
contém tubulações para os condensados (alta e baixa pressão) e bombas para
recuperação de condensado de baixa pressão. Este vaso, normalmente, é um
vaso vertical com dispositivos internos para minimizar o arraste de condensado
pelo vapor formado. Existem chaves de nível que acionam as bombas, para
recolhimento do condensado que se acumula no fundo. O funcionamento dos
sensores de nível é fundamental para o bom funcionamento deste sistema,
caso contrário será introduzido líquido em outra tubulação de vapor, com os
mesmos efeitos negativos já descritos. A reevaporação deve ser restrita a
correntes de condensado limpo, isto é, que não tenham possibilidade de
contaminação durante sua formação, como por exemplo, a condensação de
linha de vapor.
No entanto, os sistemas de retorno de condensado podem apresentar
contaminação de várias fontes, como, por exemplo : resíduos metálicos; por
contaminações gasosas como CO2 e O2, óleo, graxas, etc.
Os metais envolvidos nesses problemas são, principalmente, o ferro das
tubulações e carcaças de trocadores de calor, cobre e ligas cuproníquel de
tubos de condensadores. Os gases são oriundos do ar atmosférico, presente
nas tubulações e equipamentos. Os óleos, graxas e outros - são oriundos de
vazamentos nos processos por onde o vapor passou durante o aquecimento. Este
condensado, antes de retornar à caldeira, deve ser tratado, visando à
eliminação destes ele- mentos, pelos mesmos motivos do tratamento da água
de alimentação, e também pelo risco operacional. O óleo presente nos tubos
de uma caldeira pode carbonizar na superfície do metal, levando a condições
de superaquecimento e escoamento com rompimento.PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008
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Tratamento de condensado
Os dispositivos usados para remoção de contaminantes são as unidades polidoras de
condensado. Estas unidades são compostas de filtros mecânicos e
desmineralizadores. Os filtros mecânicos removem óxidos de ferro, cobre, óleos,
graxas e matérias em suspensão no condensado. Um método usual de filtração
mecânica do condensado é a utilização de velas de diatomita revestidas de
celulose. A diatomita é um material poroso que retém os resíduos e a celulose.
Por ser lipofílica, retém pequenas contaminações de matéria orgânica. A
camada de celulose satura periodicamente, devido ao acúmulo de matéria em
sua superfície. Esta celulose é retirada por um sistema de retrolavagem e
formada através de uma suspensão de celulose e água, no sentido normal do
fluxo. Após este filtro, deve ser instalado um filtro de carvão ativo, para reter
as substâncias que passarem pelo primeiro, como compostos orgânicos
dissolvidos, e propiciar uma proteção extra, dando mais tempo, no caso de
passagem de óleo em quantidade, no filtro de celulose.
Este sistema apresenta uma boa eficiência na retenção de pequenas
contaminações e resíduos. Os principais fatores que devem ser acompanhados na
operação são o diferencial de pressão no filtro e a presença de óleo no
condensado. Este parâmetro pode ser obtido por análise de laboratório ou, de
preferência, por analisadores em linhas.
Os filtros desmineralizados constam de um leito misto de resinas catiônicas e
aniônicas que removem as impurezas que se solubilizam no condensado.
Além das unidades polidoras que removem os contaminantes indesejáveis para
as caldeiras, há necessidade de se proteger as próprias linhas de condensado
de ataques corrosivos com injeção de aminas, que irão reduzir,
substancialmente, a formação de óxidos de ferro. As aminas voláteis, como a
morfolina e a cicloexilamina, que corrigem o valor do pH e combatem o CO2
são efetivamente usadas quando há pouco oxigênio dissolvido no condensado.
Nos sistemas em que há substancial infiltração de oxigênio e grande quantidade
de CO2 , usam-se aminas fílmicas, isto é, aminas que formam um filme repelente à
água sobre os metais. A formação se dá por absorção e a sua espessura não
tende a aumentar, em condições normais, com a injeção contínua da amina.
As aminas fílmicas mais usadas são a octadecilmamina e o acetato de octadecilamina.
Para a remoção dos gases dissolvidos, da mesma forma que na água de
alimentação, o condensado é injetado no sistema pelo desaerador.
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(a.6) Isolamento térmico
A partir do momento que se lida com um fluido térmico, devemos ter a
preocupação com a temperatura de chegada do vapor d’água aos usuários, de
modo a garantir uma operação satisfatória e econômica para a indústria como
um todo. Neste contexto, encaixa-se o isolamento térmico de tubulação e
equipamentos.
Além da temperatura, precisamos do isolamento térmico para, por exemplo:
reduzir a formação de condensado em linhas e equipamentos;
conservar a energia, na geração de vapor (caldeira) e tubulações;
proteger pessoal;
reduzir a emissão de radiação térmica;
reduzir o ruído e a vibração.
Os materiais mais comumente usados em isolamento térmico nos sistemas de
geração e distribuição de vapor são:
fibras de lã mineral (mantas);
silicato de cálcio em tijolos (paredes) ou calhas (tubulações) rígidos;
fibra de vidro (mantas e calhas);
espuma rígida de polímeros orgânicos (formas especiais);
fibras e tijolos cerâmicos para altas temperaturas (paredes de fornalha).
Todos estes tipos de revestimento têm faixas de temperatura para aplicação,
coincidentes em vários limites, o que faz com que outros fatores, além da
condutividade, determinem sua escolha. Para temperaturas até 450ºC, a fibra de
vidro em várias formas e a lã mineral podem ser utilizadas. Nesta faixa
encontram-se, normalmente, as tubulações de distribuição de vapor
superaquecido até cerca de 100kgf/cm2.
O silicato de cálcio tem capacidade de isolamento recomendado até cerca de
800ºC, podendo ser utilizado nas mesmas aplicações acima e em outras ainda.
Sem contar os tijolos cerâmicos largamente empregados nas paredes de
fornalha, no isolamento de coletores de vapor e condensado em geral, os
materiais mais usados são o silicato de cálcio e a fibra de vidro.
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Normalmente, o silicato de cálcio é mais barato, apesar de ter uma
condutividade térmica maior que a fibra de vidro, exigindo, portanto, maiores
espessuras para obtenção de efeitos similares. O silicato é fornecido sob forma
de tijolos e calhas, de várias espessuras padronizadas, que se adaptam à
superfície externa de equipamentos e tubulações, sendo fixados por fios ou fitas
de alumínio e encamisados comumente com papel aluminizado, folhas de
amianto ou ainda recobertos de cimento cerâmico isolante ou asfalto. Já a fibra
de vidro é fornecida sob a forma de placas ou mantas, que são aplicadas nos
equipamentos e também amarradas com telas ou fitas metálicas, recebendo
também um encamisamento.
A fibra de vidro apresenta um inconveniente muito grande à segurança
industrial, porque se trata de material inflamável, comparativamente ao silicato,
que é material inorgânico e incombustível.
(b) Ar comprimido
Um sistema de ar comprimido é composto por compressores de ar, um vaso
pulmão de ar de instrumentos, um vaso pulmão de ar de ser viço e um
secador de ar. Tipicamente, a pressão do ar comprimido (de serviço e de
instrumentos) é controlada em 7kgf/cm2. Para isso, a instalação possui certos
equipamentos especiais como: compressores com cilindros não lubrificados,
secador de ar com leito de alumina ou sílica gel e filtros.
Toda tubulação de distribuição é de aço galvanizado (coletores gerais ou
secundários), enquanto as linhas de controle são de cobre.
Tendo em vista sua aplicação, o ar comprimido pode ser classificado em:
Ar comprimido para instrumentos
Ar comprimido de serviço.
(b1. ) Ar comprimido para instrumentos
É o ar necessário para utilização na operação da instrumentação pneumática,
comando de válvulas, posicionadores de campo, etc. A fim de não prejudicar a
ação dos instrumentos, este ar precisa ser de alta pureza (isento de partículas
sólidas, óleo, etc.) e deve ser completamente seco (isento de umidade). Para
isto, este ar passa por filtros e colunas secadoras com leito de sílica gel, que
necessitam ser periodicamente regeneradas.
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(b.2) Ar comprimido de serviço
É o ar comprimido para uso geral, utilizado no acionamento de ferramentas
pneumáticas, na agitação de produtos em tanques, como fluido de arraste em
ejetores, ou ainda na utilização em oficinas de manutenção, etc.
A figura a seguir mostra um diagrama de bloco da central de ar comprimido.
Figura 4 – Diagrama de bloco da central de ar comprimido
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[Referências bibliográficas
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