Desaeradores Pressurizados

A necessidade de remover gases da água de alimentação da caldeira e a operação de um desaerador pressurizado, além de cálculos.

Por que os gases precisam ser removidos da água de alimentação da caldeira

O oxigênio é a principal causa de corrosão em tanques de água quente, linhas de alimentação, bombas de alimentação e caldeiras. Se o dióxido de carbono também estiver presente, o pH será baixo, a água tenderá a ser ácida e a taxa de corrosão será aumentada. Tipicamente, a corrosão é do tipo por picada, onde, embora a perda de metal possa não ser grande, a penetração profunda e a perfuração podem ocorrer em um curto período.

A eliminação do oxigênio dissolvido pode ser alcançada por métodos químicos ou físicos, mas mais usualmente por uma combinação de ambos.

Os requisitos essenciais para reduzir a corrosão são manter a água de alimentação em um pH não inferior a 8,5 a 9, o nível mais baixo no qual o dióxido de carbono está ausente, e remover todos os traços de oxigênio. O retorno de condensado da planta terá um impacto significativo no tratamento da água de alimentação da caldeira - o condensado é quente e já tratado quimicamente, consequentemente, quanto mais condensado for retornado, menos tratamento de água de alimentação será necessário.

A água exposta ao ar pode se tornar saturada com oxigênio, e a concentração variará com a temperatura: quanto maior a temperatura, menor o teor de oxigênio.

O primeiro passo no tratamento da água de alimentação é aquecer a água para expelir o oxigênio. Tipicamente, um tanque de alimentação da caldeira deve ser operado a 85°C a 90°C. Isso deixa um teor de oxigênio de cerca de 2 mg/litro (ppm). A operação em temperaturas mais altas do que isso à pressão atmosférica pode ser difícil devido à proximidade da temperatura de saturação e à probabilidade de cavitação na bomba de alimentação, a menos que o tanque de alimentação seja instalado em um nível muito alto acima da bomba de alimentação da caldeira.

A adição de um produto químico removedor de oxigênio (sulfito de sódio, hidrazina ou tanino) removerá o oxigênio restante e prevenirá a corrosão.

Este é o tratamento normal para plantas de caldeiras industriais no Reino Unido. No entanto, existem plantas que, devido ao seu tamanho, aplicação especial ou padrões locais, precisarão reduzir ou aumentar a quantidade de produtos químicos usados. Para plantas que precisam reduzir a quantidade de tratamento químico, é comum usar um desaerador pressurizado.

Princípios de operação de um desaerador pressurizado

Se um líquido estiver à sua temperatura de saturação, a solubilidade de um gás nele é zero, embora o líquido deva ser fortemente agitado ou fervido para garantir que esteja completamente desaerado.

Isso é alcançado na seção superior de um desaerador quebrando a água em tantas gotas pequenas quanto possível, e cercando essas gotas com uma atmosfera de vapor. Isso fornece uma alta relação superfície-massa e permite a transferência rápida de calor do vapor para a água, que rapidamente atinge a temperatura de saturação do vapor. Isso libera os gases dissolvidos, que são então transportados com o excesso de vapor para serem ventilados para a atmosfera. (Essa mistura de gases e vapor está a uma temperatura inferior à de saturação e a ventilação operará termicamente). A água desaerada então cai para a seção de armazenamento do vaso.

Uma camada de vapor é mantida acima da água armazenada para garantir que os gases não sejam reabsorvidos.

Distribuição de água

A água entrante deve ser quebrada em pequenas gotas para maximizar a relação superfície-massa da água. Isso é essencial para elevar a temperatura da água e liberar os gases durante o período muito curto de residência no domo (ou cabeça) do desaerador.

Quebrar a água em pequenas gotas pode ser alcançado usando um dos métodos empregados dentro do ambiente de vapor do domo. Existem, é claro, vantagens e desvantagens associadas a cada tipo de distribuição de água, além de implicações de custo. A Tabela 3.21.1 compara e resume alguns dos fatores mais importantes:

Sistemas de controle

Controle de água Uma válvula de controle modulante é usada para manter o nível de água na seção de armazenamento do vaso. O controle modulante é necessário para fornecer condições operacionais estáveis, pois a entrada súbita de água relativamente fria com um sistema de controle de água liga/desliga poderia ter um impacto profundo no controle de pressão, bem como na capacidade do desaerador de responder rapidamente às mudanças de demanda. Uma vez que o controle modulante é necessário, uma sonda de nível do tipo capacitância pode fornecer o sinal analógico necessário do nível de água. Controle de vapor Uma válvula de controle modulante regula o suprimento de vapor. Esta válvula é modulada através de um controlador de pressão para manter uma pressão dentro do vaso. O controle preciso de pressão é muito importante, pois é a base para o controle de temperatura no desaerador, portanto, uma válvula de controle de atuação pneumática de ação rápida será usada. Nota: Uma válvula de controle de pressão pilotada pode ser usada em aplicações menores, e uma válvula de controle de atuação por diafragma auto-atuante pode ser usada quando a carga é garantida como razoavelmente constante. A injeção de vapor pode ocorrer na base da cabeça, fluindo na direção oposta à da água (contrafluxo), ou dos lados, cruzando o fluxo de água (fluxo cruzado). Qualquer que seja a direção de onde o vapor vem, o objetivo é fornecer máxima agitação e contato entre os fluxos de vapor e água para elevar a água à temperatura necessária. O vapor é injetado através de um difusor para fornecer boa distribuição de vapor dentro do domo do desaerador. O vapor entrante também fornece:

Um meio de transportar os gases para a ventilação de ar.
Uma camada de vapor necessária acima da água desaerada armazenada. Capacidade de ventilação de ar do desaerador Em Módulos anteriores, as temperaturas típicas de água de alimentação foram citadas em torno de 85°C, que é um valor máximo prático para um tanque de alimentação de caldeira ventilado operando à pressão atmosférica. Também é sabido que a água a 85°C contém cerca de 2,3 gramas de oxigênio por 1 000 kg de água, e que é o oxigênio que causa o maior dano nos sistemas de vapor por duas razões principais. Primeiro, ele se fixa no interior de tubos e aparelhos, formando óxidos, ferrugem e incrustações; segundo, ele se combina com o dióxido de carbono para produzir ácido carbônico, que tem uma afinidade natural para corroer metais e dissolver ferro. Por causa disso, é útil remover o oxigênio da água de alimentação da caldeira antes que ela entre na caldeira. Plantas de baixa e média pressão supridas com vapor saturado de uma caldeira tipo casco operarão muito bem com um tanque de alimentação cuidadosamente projetado incorporando um desaerador atmosférico (referido como semi-desaerador). Quaisquer traços restantes de oxigênio são removidos por meios químicos, e isso é geralmente econômico para esse tipo de planta de vapor. No entanto, para caldeiras tubulares de alta pressão e plantas de vapor que manipulam vapor superaquecido, é vital que o nível de oxigênio na água da caldeira seja mantido muito mais baixo (tipicamente menos de sete partes por bilhão - 7 ppb), porque a taxa de ataque devido a gases dissolvidos aumenta rapidamente com temperaturas mais altas. Para alcançar tais baixos níveis de oxigênio, desaeradores pressurizados podem ser usados.

Se a água de alimentação fosse aquecida à temperatura de saturação de 100°C em um tanque de alimentação atmosférico, a quantidade de oxigênio retida na água seria teoricamente zero; embora na prática, é provável que pequenas quantidades de oxigênio permaneçam. Também é o caso que a perda de vapor de um tanque de alimentação ventilado seria bastante alta e economicamente inaceitável, e esta é a principal razão pela qual desaeradores pressurizados são preferidos para plantas de pressão mais alta operando tipicamente acima de 20 bar g.

Um desaerador pressurizado é frequentemente projetado para operar a 0,2 bar g, equivalente a uma temperatura de saturação de 105°C, e, embora certa quantidade de vapor ainda seja perdida para a atmosfera através de uma ventilação estrangulada, a perda será muito menor do que a de um tanque de alimentação ventilado.

Não é apenas o oxigênio que precisa ser ventilado; outros gases não condensáveis serão rejeitados ao mesmo tempo. O desaerador, portanto, ventilará outros constituintes do ar, predominantemente nitrogênio, juntamente com certa quantidade de vapor. Portanto, a taxa de rejeição de ar da água deve ser um pouco superior a 2,3 gramas de oxigênio por 1 000 kg de água. Na verdade, a quantidade de ar na água a 80°C sob condições atmosféricas é de 5,9 gramas por 1 000 kg de água. Portanto, uma rejeição de 5,9 gramas de ar por 1 000 kg de água é necessária para garantir que a quantidade necessária de 2,3 gramas de oxigênio esteja sendo liberada. Como esse ar se mistura com o vapor no espaço acima da superfície da água, a única maneira de ser rejeitado do desaerador é pela liberação simultânea de vapor.

A quantidade de mistura vapor/ar que precisa ser liberada pode ser estimada considerando os efeitos da Lei de Dalton das pressões parciais e da Lei de Henry.

Considere a viabilidade de instalar um desaerador. Antes da instalação, a planta de caldeiras é alimentada por água de alimentação de um tanque de alimentação ventilado operando a 80°C. Isso essencialmente significa que cada 1 000 kg de água de alimentação contém 5,9 gramas de ar. O desaerador proposto operará a uma pressão de 0,2 bar g, que corresponde a uma temperatura de saturação de 105°C.

Assuma, portanto, que todo o ar será expulso da água no desaerador. Segue-se que a ventilação deve rejeitar 5,9 gramas de ar por 1 000 kg de capacidade de água de alimentação.

Considere que o ar sendo liberado da água se mistura com o vapor acima da superfície da água. Embora a pressão de operação do desaerador seja 0,2 bar g (1,2 bar a), a temperatura da mistura vapor/ar pode ser apenas de 100°C. Portanto, da Lei de Dalton:-

Se o espaço de vapor no desaerador fosse preenchido com vapor puro, a pressão de vapor seria 1,2 bar a. Como o espaço de vapor tem uma temperatura real de 100°C, a pressão parcial causada pelo vapor é apenas 1,013 25 bar a.

A pressão parcial causada pelos gases não condensáveis (ar) é, portanto, a diferença entre esses dois valores = 1,2 – 1,013 25 = 0,186 75 bar a. No entanto:

Porque não há uma maneira fácil de medir com precisão a temperatura de descarga;
Porque há apenas uma pequena diferença de pressão entre o desaerador e a pressão atmosférica;
Porque as taxas de ventilação são tão pequenas, …um mecanismo de ventilação automática raramente é encontrado nas tubos de ventilação do desaerador, a tarefa geralmente sendo realizada por uma válvula de esfera ajustada manualmente, válvula de agulha ou placa de orifício. Também é importante lembrar que o objetivo principal do desaerador é remover gases. É vital, portanto, que, uma vez separados, esses gases sejam purgados o mais rápido possível, e antes que haja qualquer chance de re-arrastamento. Embora a teoria sugira que 22,4 gramas de mistura vapor/ar por tonelada de capacidade do desaerador são necessárias, na prática isso é impossível de monitorar ou regular com sucesso. Portanto, com base na experiência prática, os fabricantes de desaeradores tenderão a recomendar uma taxa de ventilação entre 0,5 e 2 kg de mistura vapor/ar por 1 000 kg/h de capacidade do desaerador para estar do lado seguro. Sugere-se que o conselho do fabricante do desaerador seja seguido sobre esta questão. Uma maneira típica de controlar a taxa de ventilação é usar uma válvula de esfera para serviço de vapor DN20 com classificação de pressão adequada, que pode ser fixada em uma condição parcialmente aberta.

Parâmetros operacionais típicos para um desaerador pressurizado As seguintes informações são típicas e qualquer instalação real pode variar das seguintes em vários aspectos para atender aos requisitos individuais dessa planta:

A pressão de operação será geralmente de aproximadamente 0,2 bar (3 psi), o que fornece uma temperatura de saturação de 105°C (221°F).
O vaso conterá entre 10 e 20 minutos de armazenamento de água para a caldeira em plena carga.
A pressão de suprimento de água para o desaerador deve ser de pelo menos 2 bar para garantir boa distribuição no bico.
Isso implica em uma contrapressão nas armadilhas de vapor da planta ou na necessidade de retorno de condensado bombeado.
A pressão de suprimento de vapor para a válvula de controle de pressão estará na faixa de 5 a 10 bar.
A regulação máxima do desaerador será de aproximadamente 5:1.
Em taxas de fluxo abaixo disso do processo, pode haver pressão insuficiente para fornecer boa atomização com distribuidores de água do tipo bico ou spray.
Isso pode ser superado tendo mais de um domo na unidade. A capacidade total dos domos seria igual à potência da caldeira, mas um ou mais domos podem ser desligados em momentos de baixa demanda.
O aquecimento pode ser necessário na área de armazenamento do vaso para condições de partida; isso pode ser por serpentina ou injeção direta.
No entanto, o tipo de planta mais provável de ser equipada com um desaerador pressurizado estará em operação contínua e o operador pode considerar o baixo desempenho durante a partida ocasional a frio como aceitável. O projeto do vaso, materiais, fabricação, construção e certificação estarão em conformidade com um padrão reconhecido, por exemplo: no Reino Unido o padrão é PD 5500. O balanço térmico do desaerador será tipicamente (mas nem sempre) calculado com um aumento de 20°C na temperatura da água entrante. É normal que a água a 85°C seja fornecida ao desaerador. Se a temperatura da água entrante for significativamente superior a isso, a quantidade de vapor necessária para alcançar a pressão definida será menor. Isso, por sua vez, significa que a válvula de vapor será estrangulada e a taxa de fluxo de vapor pode ser muito baixa para garantir a dispersão adequada no bico de vapor. Isso pode sugerir que, com uma porcentagem muito alta de condensado sendo retornado, alguma ação alternativa pode ser necessária para que ocorra uma desaeração adequada. Neste caso, o balanço térmico do desaerador pode ser calculado usando parâmetros diferentes, ou o desaerador pode operar a uma pressão mais alta.

Custo e justificativa

Custo Não há custo adicional de energia associado à operação de um desaerador, e a quantidade máxima de vapor exportada para a planta é a mesma com ou sem o desaerador, porque o vapor usado para aumentar a temperatura da água de alimentação vem da maior produção da caldeira. No entanto:

Haverá alguma perda de calor do desaerador (isso será minimizado pelo isolamento adequado).
Há o custo adicional de operar a bomba de transferência entre o tanque de alimentação e o desaerador.
Algum vapor é perdido com os gases não condensáveis ventilados. Justificativa As principais razões para selecionar um desaerador pressurizado são:
Reduzir os níveis de oxigênio ao mínimo (< 20 partes por bilhão) sem o uso de produtos químicos. Isso eliminará a corrosão no sistema de alimentação da caldeira.
Uma economia de custos pode ser alcançada em relação aos produtos químicos - esse argumento se torna cada vez mais válido em caldeiras tubulares grandes onde as taxas de fluxo são altas, e baixos níveis de TDS (< 1 000 ppm) precisam ser mantidos na água de alimentação da caldeira.
Os produtos químicos adicionados para controlar o teor de oxigênio da água da caldeira exigirão blowdown. Portanto, reduzindo/eliminando a adição de produtos químicos, a taxa de blowdown será reduzida com economias de custos associadas.
Para evitar contaminação onde o vapor está em contato direto com o produto, por exemplo: alimentos ou para fins de esterilização.

Balanço térmico do desaerador

Para permitir o projeto correto do sistema e dimensionar a válvula de suprimento de vapor, é importante saber quanto vapor é necessário para aquecer o desaerador. Este vapor é usado para aquecer a água de alimentação da temperatura usual experimentada antes da instalação do desaerador até a temperatura necessária para reduzir o oxigênio dissolvido ao nível necessário. A taxa de fluxo de vapor necessária é calculada por meio de um balanço de massa/calor. O balanço de massa/calor funciona no princípio de que a quantidade inicial de calor na água de alimentação, mais o calor adicionado pela massa de vapor injetado deve ser igual à quantidade final de calor na água de alimentação mais a massa de vapor que condensou durante o processo. A Equação 2.11.3 é a equação de balanço de massa/calor usada para esse propósito.