Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Campus Regional de Resende
Tratamentos Físico-Químicos de Águas
Prof. Cesar Pereira
MÓDULO IV
1.
CALDEIRAS
No estudo dos tratamento de águas para caldeiras, concentraremos nossa maior atenção nos
sistemas geradores de vapor com pressão operacional inferior a 42 kgf/cm2
(aproximadamente 600 libras-força por polegada quadrada (psi) ou 4200 quilopascals (kPa)), haja
vista que mais de 90% das caldeiras, atualmente empregadas, encontram-se enquadradas nesse
caso.
1.1 Caldeiras Geradoras de Água Quente
Nas caldeiras geradoras de água quente (“hydronic boilers”), os tratamentos adotados são
semelhantes aos recomendados para os circuitos fechados de refrigeração, sendo mais
empregados os seguintes:
• Tratamento Alcalino-Dispersante
Utilizando fosfonatos e agentes dispersantes e operando na faixa de pH 9,5 – 10,0.
• Tratamento à base de Cromato
Utilizando elevados teores de cromato (superiores a 800 ppm CrO4), em pH situado na
faixa 8,0 – 9,0.
• Tratamento à base de Nitrito-Borato
Utilizando concentração de nitrito elevada (cerca de 750 ppm NO2), em presença de
produtos tamponante (borato) e dispersante, em pH na faixa 8,5 – 10,5.
1.2. Caldeiras Geradoras de Vapor por Combustão
Os sistemas geradores (caldeiras) de vapor podem ser classificados em três grupos, de
acordo com a pressão de trabalho, segundo a American Boiler Manufacturers and
Affiliated Industries Association (ABMA):
CLASSIFICAÇÃO
Baixa Pressão
Média Pressão
Alta Pressão (*)
FAIXA DE PRESSÃO (psi)
100 – 400
400 – 800
> 800
FAIXA DE PRESSÃO (kgf/cm2)
7 –28
28 – 56
> 56
(*) As caldeiras que operam com pressões superiores a 3200 psi (225 kgf/cm2) são
CALDEIRAS DE PRESSÃO SUPERCRÍTICA com a transformação H2 O(A ) → H2 O(g )
ocorrendo em temperatura superior à temperatura crítica da água (374oC).
a.
Caldeiras Fogotubulares ou Flamatubulares (f.t.)
São aquelas em que os gases de combustão circulam no interior dos tubos, com a água
sendo aquecida e vaporizada, nas regiões externas dos tubos (casco).
As caldeiras f.t. são equipamentos que operam com baixas pressões (p < 300 psi),
taxas de vaporização limitadas, gerando pequenas produções de vapor (V < 25 t/h).
Os modernos geradores de vapor f.t. possuem a fornalha localizada internamente. O
início da combustão ocorre no interior de uma fornalha acoplada ao casco. Os gases de
combustão saem pela parte posterior da caldeira, retornam realizando duas ou mais
passagens pelos tubos e finalmente são eliminados pelo sistema de exaustão.
Os chamados geradores f.t. “compactos” são aqueles totalmente fabricados e testados
antes de serem fornecidos ao cliente que receberá a caldeira completa, pronta para
ser instalada.
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A figura a seguir mostra uma vista frontal esquemática de uma caldeira fogotubular ou
flamatubular (f.t.)
vapor saturado
nível da água
tubos de combustão secundários
(geralmente 4 passes de tubos)
tubo de combustão
principal
tubo de entrada da
água de alimentação
lama
b.
descarga
Caldeiras Aquatubulares (a.t.)
São aquelas em que a água circula no interior dos tubos, conectando os tubulões ou
tambores superior e inferior(es), com os gases queimados (provenientes da combustão
na fornalha) circulando pela parte exterior dos tubos. Este tipo de caldeira pode
englobar quase todas as faixas de pressão, podendo gerar grandes produções de vapor.
As caldeiras a.t. podem apresentar diferentes configurações (“O”, “D”, “A” etc.) de
acordo com o aspecto do posicionamento dos tubulões em relação ao feixe de tubos. As
caldeiras do tipo “O” e “D” apresentam 1 tubulão superior (tambor de vapor) e 1
tubulão inferior (tambor de lama). As caldeiras do tipo “A” operam com 1 tubulão
superior e 2 tubulões inferiores.
As descargas para eliminação de “lama” são executadas nos tambores inferiores. As
coletas de amostra de água de caldeira deverão ser efetuadas por meio de purga de
nível (executadas nos tubulões superiores) seguida de resfriamento, conduzindo a
resultados analíticos mais representativos.
Tanto nas caldeiras flamatubulares (f.t.), quanto nas aquatubulares (a.t.) a água com
temperatura mais baixa (mais densa) forma uma corrente descendente, enquanto a
água líquida com bolhas de vapor em temperatura mais alta (menos densa) forma uma
corrente ascendente.
Nas caldeiras aquatubulares, a alimentação de água é feita no balão (tambor) superior.
Esta água, a temperatura mais baixa, flui através dos tubos de fluxo descendente
(“down comers”), para o balão (tambor) inferior. A água líquida, em temperatura mais
alta, juntamente com bolhas de vapor, produzida pelo calor gerado na fornalha, flui do
balão inferior para o balão superior, através de tubos de fluxo ascendente (“risers”).
As figuras a seguir mostram esquemas de geração de vapor em uma caldeira a.t. e
vistas frontais simplificadas de geradores de vapor do tipo “O”, “D” e “A”.
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vapor
água de
alimentação
descarga de nível
tubulão, tambor
ou balão superior
calor
tubulão, tambor
ou balão inferior
ou de lama
descarga de fundo
Geradores de Vapor (Caldeiras a.t.)
Tipo “O”
Tipo “D”
Tipo “A”
1.3. Caldeiras Elétricas
As caldeiras elétricas produzem aquecimento e ebulição da água líquida com base no efeito
Joule, podendo atuar com diferentes níveis de diferença de potencial elétrico.
Foram muito utilizadas nas décadas de 70 e 80, em decorrência do aumento de preço do
petróleo e seus derivados.
Atualmente, o custo relativamente elevado da energia elétrica tem desestimulado a
utilização de caldeiras elétricas.
As caldeiras elétricas podem ser classificadas em CALDEIRAS DE RESISTÊNCIA
ELÉTRICA e CALDEIRAS DE ELETRODOS, podendo estas últimas serem divididas em
CALDEIRAS DE ELETRODOS BORRIFADOS (jato ou “spray” de água) e CALDEIRAS DE
ELETRODOS SUBMERSOS.
As caldeiras elétricas de eletrodos submersos exigem água de alimentação de alta pureza,
geralmente desmineralizada.
De um modo geral, as caldeiras elétricas trabalham com pressões operacionais não muito
elevadas (p < 400 psi) e produções de vapor não muito altas (V < 25 t/h).
Entre algumas vantagens do emprego de caldeiras elétricas podem ser citadas: a não
geração de gases poluentes (comuns nos processos de combustão) e o menor investimento
inicial.
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EQUIPAMENTOS AUXILIARES
As caldeiras, sobretudo as aquatubulares, podem operar empregando diversos equipamentos
auxiliares. Apresentaremos a seguir, de forma sucinta, alguns desses equipamentos.
2.1. Abrandadores e Desmineralizadores
Os abrandadores são equipamentos destinados à remoção de dureza da água de reposição.
Os desmineralizadores objetivam remover a salinidade da água de reposição.
O abrandamento e a desmineralização de água foram abordados no MÓDULO I deste
trabalho.
Os abrandadores e desmineralizadores são partes integrantes das seções de pré-caldeira.
2.2. Desaeradores
Equipamentos localizados na seção pré-caldeira cujos propósitos primordiais são: aumentar
a temperatura da água de alimentação, por meio do contato direto com vapor de baixa
pressão; remoção de gases, principalmente o oxigênio (O2) e o dióxido de carbono (CO2),
presentes na água de alimentação, pelo fato dos gases serem menos solúveis em
temperaturas mais elevadas.
Os dois tipos de desaeradores mais utilizados são os de bandejas e os de aspersão
(“spray”), havendo sempre um tanque de estocagem de água desaerada, onde produtos
químicos, como os removedores ou sequestrantes de oxigênio (“ oxygen scavengers”),
podem ser adicionados.
A eliminação de O2 pode fazer com que sua concentração na água seja reduzida a valores
próximos a 7 ppb (7 partes por bilhão ou 7 mg de O2 / m3 de água).
2.3. Pré-aquecedores de Ar
Os pré-aquecedores de ar são dispositivos que consistem em uma série de placas ou feixes
de tubos, onde ocorre uma troca térmica entre o ar e os gases de exaustão.
Pode-se conseguir um aumento de eficiência de 2% na produção de vapor, para um aumento
de 55oC na temperatura do ar de combustão.
2.4. Economizadores
Dispositivo, constituído por um feixe de tubos, por onde circula a água de alimentação, que
é pré-aquecida pelos gases provenientes da combustão que seriam diretamente eliminados
pela chaminé. O aumento da temperatura da água de alimentação reduzirá a quantidade de
calor requerida no interior da caldeira, aumentando a eficiência da mesma.
De modo geral, obtém-se 1% de aumento na eficiência da caldeira, para cada 6oC de
elevação de temperatura da água de alimentação. Muitas plantas modernas, conseguem
aumento de até 8% na eficiência da caldeira, com o emprego de economizadores.
2.5. Polidores de Vapor ou Separadores de Arraste
São dispositivos destinados à eliminação de gotículas do vapor produzido, com objetivo de
evitar o fenômeno do carreamento (“carryover”) que pode provocar o transporte de sólidos
para as seções de pós-caldeira. Estes eliminadores consistem em ciclones e/ou dispositivos
aletados conectados ao tubulão superior (tambor de vapor). A água líquida removida é
retornada ao tubulão superior.
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2.6. Superaquecedores
Consistem em feixes de tubos, inseridos na fornalha da caldeira, destinados à obtenção de
vapor superaquecido a partir de vapor saturado. O vapor superaquecido pode ser
transferido a longas distâncias sem perda apreciável de sua carga térmica (conteúdo
energético).
3.
BALANÇOS MATERIAIS EM SISTEMAS GERADORES DE VAPOR
Consideremos o seguinte esquema:
R
C
C
C
V
P
F
CALDEIRA
D
Onde:
F →
V →
D →
C →
R →
P →
vazão de água de alimentação (“feed water”)
vazão de vapor produzido
vazão de descargas (“blow down”), incluindo as descargas de nível (Dn) e de fundo (Df),
isto é: D = Dn + Df
vazão de retorno de condensado
vazão de água de reposição (“make up water”)
vazão de perdas
As taxas de retorno de condensado podem ser expressas pelas relações: C/V ou C/F, sendo a
primeira delas (C/V) a mais comumente utilizada.
Essas relações são denominadas taxas de retorno de condensado em relação ao vapor produzido
(C/V) e taxa de retorno em relação à água de alimentação (C/F).
Assim, temos:
F = V+D
… (1)
Como:
F = R + C
… (2),
teremos, ainda:
R + C = V + D
… (3)
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3.1. Descarga (D) em função do Ciclo de Concentração com base na Alimentação (xF)
Considerando uma espécie solúvel em água e não-volátil, como o íon cloreto ( CA − ), o balanço
de massa para esse íon, com base na equação (1), fica:
cF ⋅ F = cV ⋅ V + cD ⋅ D
(4)
…
onde se cF, cV e cD são, respectivamente, as concentrações de cloreto na água de
alimentação, no vapor produzido e na descarga (ou na água de caldeira).
Como a espécie ( CA − ) é não-volátil, teoricamente a concentração cV será nula.
Logo, teremos:
cV = 0
cD
⇒
cF
⇒
=
cF ⋅ F = cD ⋅ D
V +D
D
…
cD
⇒
=
cF
F
D
… (5)
⇒
(6)
A relação cD cF representa o nível de concentração da água de descarga ou da caldeira em
relação ao nível de concentração da água de alimentação, sendo denominada ciclo de
concentração em relação à água de alimentação (xF).
Assim, temos:
xF =
V +D
D
D ⋅ xF = V + D
⇒
(xF − 1) D = V
⇒
⇒
D =
V
xF − 1
… (7)
Exemplo resolvido n.º 1
Uma caldeira aquatubular, com produção de vapor igual a 63,0 toneladas/hora, opera com
taxa de retorno de condensado igual a 75,0% em relação à água de alimentação.
As vazões de descargas de fundo e de nível são, respectivamente, iguais a 0,10
toneladas/hora e 0,90 toneladas/hora, sendo a concentração de cloreto na água de
alimentação igual a 3,75 ppm CA − .
Calcule:
a) o ciclo de concentração em relação à água de alimentação (xF);
b) a concentração de cloreto na água de caldeira (cD);
c) a vazão de água de reposição (“make up”), em toneladas por hora.
Resolução
(a) D = Dn + Df
F = V +D
⇒
D = 0,90 + 0,10
F = 63,0 + 1,0
⇒
⇒
D = 1,00 t / h
⇒
F = 64,0 t / h
⇒
xF = 64,0
Logo, teremos:
xF =
(b) xF =
⇒
(c)
F
D
⇒
cD
cF
xF =
64,0 t / h
1,00 t / h
cD = xF ⋅ F
⇒
⇒
cD = 3,75 ⋅ 64,0
⇒
cD = cCALDEIRA = 240 ppm CA −
C
= 0,750
F
⇒
C=
C
⋅F
F
F =R+C
⇒
⇒
C = 0,750 ⋅ 64,0
R =F−C
6
⇒
⇒
C = 48,0 t / h
R = 64,0 − 48,0
⇒
R = 16,0 t / h
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3.2. Descarga (D) em função do Ciclo de Concentração com base na Reposição
Um balanço de massa para uma espécie solúvel e não-volátil conduz à seguinte equação:
cR ⋅ R + cC ⋅ C = cV ⋅ V + cD ⋅ D
(8)
…
onde cR, cC, cV e cD são, respectivamente, as concentrações das espécies consideradas na
água de reposição, no condensado, no vapor produzido e na descarga (ou na água de
caldeira).
Sendo a espécie não-volátil e desprezando-se o arraste de gotículas, contendo a espécie
solúvel considerada, temos:
e
cV = 0
cC = 0
⇒
cR ⋅ R = cD ⋅ D
cD
⇒
cR
=
R
D
…
(9)
A relação cD cR representa o nível de concentração de água de descarga ou da caldeira em
relação ao nível de concentração da água de reposição, sendo denominada ciclo de
concentração em relação à água de reposição (xR).
Assim, temos:
xR =
R
D
(10)
…
A expressão (3) poderá então ser rescrita da seguinte forma:
R +C = V +D
⇒
xR ⋅ D + C = V + D
⇒
(xR − 1) D = V ⎛⎜1 − C ⎞⎟
V⎠
⎝
(xR − 1) D = V − C
⇒
D = V ⋅
⇒
1 − (C V )
…
xR − 1
⇒
(xR − 1) D = V − C ⋅ V
V
⇒
(11)
Exemplo resolvido n.º 2
Uma caldeira, com produção de vapor de 10,0 t/h, possui taxa de retorno de condensado
igual a 80,0% (em relação à produção de vapor) e deve operar com ciclo de concentração
igual a 11,0 (em relação à água de reposição).
Determine:
a) a vazão de descarga, em toneladas por hora;
b) a vazão, em gramas por hora, de um produto dispersante (não-volátil), sabendo que sua
concentração desejável na água de caldeira é 60,0 ppm (g/t);
c) o ciclo de concentração em relação à água de alimentação (xF).
Resolução
(a) D = V ⋅
1 − (C V )
xR − 1
⇒
D = 10,0 t h ⋅
g Pr oduto
(b) d = cD ⋅ D
⇒
d = 60,0
(c) F = V + D
⇒
F = 10,0 + 0,2
xF =
F
D
⇒
xF =
1 − 0,800
11,0 − 1
10,2 t h
0,200 t h
t
⋅ 0,200
t
h
⇒
D = 0,200 t h
⇒
d = 12,0 g Pr oduto h
⇒
F = 10,2 t h
⇒
xF = 51,0
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Exemplo resolvido n.º 3
Uma caldeira flamatubular, com produção de vapor igual a 3160 kg/h, é dotada de um único
dispositivo para descarga de lama e sólidos dissolvidos, tendo sido fixado no programador
eletro-pneumático um tempo de duração de descarga igual a 2,0 segundos, podendo o
intervalo entre duas descargas variar entre 15 e 240 minutos. Com base na qualidade da
água industrial fornecida, deseja-se que a caldeira opere com ciclo de concentração igual a
80,0 em relação à água de alimentação (reposição + condensado).
Determine o intervalo, em minutos, entre duas descargas consecutivas, a ser fixado no
programador, sabendo que a vazão de descarga da válvula é de 12,0 kg/s.
Resolução
D=
D
V
xF − 1
kg
h
40,0
=q
kg
h
D=
⇒
kg
s
⋅t
= 12,0
3160 kg h
80,0 − 1
⇒
D = 40,0 kg h
s
desc
⋅n
desc
h
kg
s
⋅ 2,0
s
⋅n
desc
⇒
n=
5 desc
3 h
Intervalo, em minutos, entre duas descargas consecutivas:
5
desc
3
________
1 desc
________
x = 60 ⋅
3
min
5
⇒
60 min
x
x = 36 min utos
8