Tratamento de Água, Armazenamento e Blowdown para Caldeiras a Vapor

Uma análise da química do abastecimento de água, incluindo dureza e valores de pH.

Antes que o blowdown da caldeira possa ser discutido e compreendido, é necessário estabelecer uma definição de água junto com suas impurezas e termos associados como dureza, pH, etc.

A água é a matéria-prima mais importante da terra. É essencial para a vida, é usada para transporte, e armazena energia. É também chamada de ‘solvente universal’. Água pura (H2O) é insípida, inodora e incolor em seu estado puro; no entanto, água pura é muito incomum. Todas as águas naturais contêm vários tipos e quantidades de impurezas. Água potável de boa qualidade não necessariamente produz boa água de alimentação de caldeira. Os minerais na água potável são facilmente absorvidos pelo corpo humano, e são essenciais para nosso bem-estar. As caldeiras, no entanto, são menos capazes de lidar com isso, e esses mesmos minerais causarão danos em uma caldeira a vapor se forem deixados permanecer. Do estoque mundial de água, 97% é encontrada nos oceanos, e uma parte significativa disso está aprisionada nas geleiras polares - apenas 0,65% está disponível para uso doméstico e industrial. Esta pequena proporção seria logo consumida se não fosse pelo ciclo da água (veja a Figura 3.9.1). Após a evaporação, a água se transforma em nuvens, que são parcialmente condensadas durante sua jornada e então caem na terra como chuva. No entanto, é errado supor que a água da chuva é pura; durante sua queda à terra, ela recolhe impurezas como ácido carbônico, nitrogênio e, em áreas industriais, dióxido de enxofre. Carregada com esses ingredientes, a água percola através das camadas superiores da terra até o lençol freático, ou flui sobre a superfície da terra dissolvendo e coletando impurezas adicionais. Essas impurezas podem formar depósitos nas superfícies de transferência de calor que podem:

Causar corrosão metálica.
Reduzir as taxas de transferência de calor, levando ao superaquecimento e perda de resistência mecânica. A Tabela 3.9.1 mostra os nomes técnicos e comumente usados das impurezas, seus símbolos químicos e seus efeitos.

Qualidade da água bruta e variações regionais

A qualidade da água pode variar enormemente de uma região para outra, dependendo das fontes de água e minerais locais (veja a Figura 3.9.2). A Tabela 3.9.2 fornece alguns valores típicos para diferentes áreas em um país relativamente pequeno como o Reino Unido. As impurezas comuns na água bruta podem ser classificadas da seguinte forma:

Sólidos dissolvidos - São substâncias que se dissolvem na água. Os principais são os carbonatos e sulfatos de cálcio e magnésio, que formam incrustação quando aquecidos. Existem outros sólidos dissolvidos que não formam incrustação. Na prática, quaisquer sais que formem incrustação dentro da caldeira devem ser quimicamente alterados para que produzam sólidos suspensos, ou lama em vez de incrustação.
Sólidos suspensos - São substâncias que existem na água como partículas suspensas. São geralmente de origem mineral ou orgânica. Essas substâncias geralmente não são um problema, pois podem ser filtradas.
Gases dissolvidos - Oxigênio e dióxido de carbono podem ser facilmente dissolvidos pela água. Esses gases são instigadores agressivos de corrosão.
Substâncias formadoras de espuma - São impurezas minerais que formam espuma. Um exemplo é a soda na forma de carbonato, cloreto ou sulfato. A quantidade de impurezas presentes é extremamente pequena e geralmente são expressas em qualquer análise de água na forma de partes por milhão (ppm), em peso, ou alternativamente em miligramas por litro (mg/l). As seções seguintes dentro deste Módulo descrevem as características da água.

Dureza

A água é classificada como ‘dura’ ou ‘mole’. Água dura contém impurezas formadoras de incrustação, enquanto água mole contém pouca ou nenhuma. A diferença pode ser facilmente reconhecida pelo efeito da água no sabão. Muito mais sabão é necessário para fazer espuma com água dura do que com água mole. A dureza é causada pela presença de sais minerais de cálcio e magnésio, e são esses mesmos minerais que promovem a formação de incrustação. Existem duas classificações comuns de dureza:

Dureza alcalina (também conhecida como dureza temporária) - Bicarbonatos de cálcio e magnésio são responsáveis pela dureza alcalina. Os sais se dissolvem na água formando uma solução alcalina. Quando o calor é aplicado, eles se decompõem liberando dióxido de carbono e incrustação macia ou lama. O termo ‘dureza temporária’ é às vezes usado, porque a dureza é removida por ebulição. Este efeito pode frequentemente ser visto como incrustação no interior de uma chaleira elétrica. Veja as Figuras 3.9.3 e 3.9.4 - esta última representando a situação dentro da caldeira.
Dureza não alcalina e carbonatos (também conhecida como dureza permanente) - Isto também se deve à presença de sais de cálcio e magnésio, mas na forma de sulfatos e cloretos. Esses precipitam da solução, devido à sua solubilidade reduzida à medida que a temperatura sobe, e formam incrustação dura, que é difícil de remover. Além disso, a presença de sílica na água da caldeira também pode levar a incrustação dura, que pode reagir com sais de cálcio e magnésio para formar silicatos que podem inibir severamente a transferência de calor através dos tubos de fogo e causar seu superaquecimento.

Dureza total

A dureza total não deve ser classificada como um tipo de dureza, mas como a soma das concentrações de íons de cálcio e magnésio presentes quando ambos são expressos como CaCO3. Se a água é alcalina, uma proporção dessa dureza, igual em magnitude à alcalinidade total e também expressa como CaCO3, é considerada como dureza alcalina, e o restante como dureza não alcalina (Veja a Figura 3.9.5).

Sais não formadores de incrustação

Sais não formadores de dureza, como sais de sódio, também estão presentes, e são muito mais solúveis que os sais de cálcio ou magnésio e geralmente não formam incrustação nas superfícies de uma caldeira, conforme mostrado na Figura 3.9.6. Unidades comparativas Quando os sais se dissolvem na água, eles formam partículas eletricamente carregadas chamadas íons. As partes metálicas (cálcio, sódio, magnésio) podem ser identificadas como cátions porque são atraídas para o catodo e carregam cargas elétricas positivas. Ânions são não metálicos e carregam cargas negativas - bicarbonatos, carbonato, cloreto, sulfato, são atraídos para o ânodo. Cada impureza é geralmente expressa como uma quantidade quimicamente equivalente de carbonato de cálcio, que tem peso molecular de 100. Valor de pH Outro termo a ser considerado é o valor de pH; este não é uma impureza ou constituinte, mas meramente um valor numérico representando o conteúdo potencial de hidrogênio da água - que é uma medida da natureza ácida ou alcalina da água. A água, H2O, tem dois tipos de íons - íons hidrogênio (H+) e íons hidroxila (OH-). Se os íons hidrogênio predominam, a solução será ácida com valor de pH entre 0 e 6. Se os íons hidroxila predominam, a solução será alcalina, com valor de pH entre 8 e 14. Se houver um número igual de íons hidroxila e hidrogênio, a solução será neutra, com valor de pH de 7. Ácidos e alcalis têm o efeito de aumentar a condutividade da água acima de uma amostra neutra. Por exemplo, uma amostra de água com valor de pH de 12 terá uma condutividade maior que uma amostra com valor de pH de 7. A Tabela 3.9.3 mostra a tabela de pH e a Figura 3.9.7 ilustra os valores de pH já mencionados tanto numericamente quanto em relação a substâncias do dia a dia.