1ª Aula - Química XI - Água

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Universidade do Estado do Rio de JaneiroUniversidade do Estado do Rio de Janeiro
Instituto de Química
Curso de EngenhariaCurso de Engenharia
QuQuíímica XImica XI
2° semestre - 2013
Hallan Bruno de Matos Hallan Bruno de Matos AngeiraAngeira GomesGomes
E-mail: hallanbruno@hotmail.com
Bibliografia recomendada
Hilsdorf, J.W.; Barros, N. D. de; Tassinari, C. A.; Costa, I. Química Tecnológica, 
Pioneira Thomson Learning, São Paulo, 2004.
Richter, C.A.; Azevedo Netto, J.M. Tratamento de água, Ed. Edgard Blücher, São 
Paulo, 1991.
�
Leme, F. P. Teoria e técnicas de tratamento de água, ABES (Associação Brasileira 
de Engenharia Sanitária e Ambiental), Rio de Janeiro, 1990.
Bernardo L. Métodos e técnicas de tratamento de água”, ABES, Rio de Janeiro, Vol. 
I e II, 1993.
Gentil, V. Corrosão, 6ª ed., LTC, Rio de Janeiro, 2011. 
Garcia, R. Combustíveis e combustão industrial, Ed. Interciência, Rio de Janeiro, 
2002.
Carreteiro, R. P.; Belmiro, P. N. A. Lubrificantes e lubrificação industrial, Ed. 
Interciência, Rio de Janeiro, 2006.
Mano, E. B.; Mendes, L. C. Introdução à Polímeros, Ed. Edgard Blücher Ltda. São 
�Paulo, 2004.
Calendário
Recesso10Aula18
Prova Final3
Fev
1ª prova11
Reposição27Aula4
Nov
2ª prova20Aula28
Aula13Aula21
Aula6
Jan
Feriado14
Aula16Aula7
Out
Aula9Aula30
Aula2
Dez
Aula23
Aula25NovAula16
Set
AtividadeAtividadeDiaDiaMêsMêsAtividadeAtividadeDiaDiaMêsMês
Água
Água
Água
1. Tratamento de água para uso industrial
Principais características físicas analisadas:
 Teor de matéria sólida,
 Odor,
 Cor,
 Turbidez,
 Variação de vazão. 
 Matéria sedimentável = sedimenta em um período entre 1 e 
2 h.
Matéria não sedimentável = não sedimenta no tempo 
arbitrário de 2 horas, só será removida por processos de 
oxidação biológica e de coagulação, seguida de sedimentação.
Água
 Odor = é causado pelos gases formados no processo de 
decomposição;
 Cor e a turbidez = indicam o estado de decomposição do 
esgoto, as características químicas são de origem de 
matéria orgânica e inorgânica.
A variação da vazão dependerá do tipo de rede, dos 
despejos admitidos, qualidade do material empregado e 
principalmente da natureza da indústria. 
Água
1. Aeração;
2. Neutralização;
3. Coagulação;
4. Floculação;
5. Sedimentação;
6. Filtração;
1.1. Etapas do tratamento
Água
* Aeração
 Transferência de substâncias voláteis da água para o ar e 
de substâncias voláteis do ar para água, de forma a obter o 
equilíbrio entre as substâncias químicas presentes.
* Coagulação
 Processo através do qual os coagulantes são adicionados 
à água, reduzindo as forças que tendem a manter separadas 
as partículas em suspensão;
* Floculação
 Aglomeração de partículas por efeito dos transportes de 
fluido, visando à formação de partículas com tamanho e 
massa específica que favoreçam sua remoção por 
sedimentação, flotação ou filtração direta
Água
* Sedimentação (decantação)
 A decantação é a separação das partículas sólidas, que 
sendo mais densas que a água tendem a sedimentar no 
fundo do tanque decantador com uma certa velocidade 
(velocidade de sedimentação).
* Filtração
 A filtração é a passagem de água através de um meio 
poroso para remover matéria suspensa.
Água
2. Tratamento de água com dureza
 Água com alto teor de dureza são impróprias para uso 
industrial.
 O cálcio e magnésio possuem características naturais de 
se agregarem nas paredes das tubulações. Em altas 
temperaturas cristalizam-se formando incrustações, 
causando sérios dano.
 O tratamento de água dura é conhecido como 
abrandamento e pode ser realizado principalmente das 
seguintes maneiras:
Cal soda Troca iônica
Água
* Cal soda
 Consiste na aplicação de substâncias (cal e carbonato de 
sódio), que reagem com os compostos de cálcio e de 
magnésio, precipitando-os.
CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O 
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 2 CaCO3 + 2 H2O 
Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 CaCO3 + MgCO3 + 2 H2O 
MgCO3 + Ca(OH)2 Mg(OH)2 + CaCO3
MgSO4 + Ca(OH)2 Mg(OH)2 + CaSO4
CaSO4 + Na2CO3 CaCO3 + Na2SO4
CaCl2 + Na2CO3 CaCO3 + 2 NaCl 
MgCl2 + Ca(OH)2 Mg(OH)2 + CaCl2
Água
Necessidade de ajustes 
finais, pois a água 
abrandada ainda possui 
dureza;
Tecnologia bem 
estabelecida;
Produção de lodo;
Possibilita remover da 
água contaminantes tais 
como metais pesados e 
outros; 
Utilização de produtos 
químicos;
Geralmente aplicado para 
águas com dureza 
elevada;
DesvantagensVantagens
Água
* Troca iônica
 Resina de troca iônica: consiste em fazer a água 
atravessar uma resina catiônica que captura os íons Ca2+ e 
Mg2+, substituindo-os por íons que formarão compostos 
solúveis.
R(-SO3Na)2 + Ca2+ → R(-SO3)2Ca + 2 Na+
R(-SO3Na)2 + Mg2+ → R(-SO3)2Mg + 2 Na+
Água
Requer o tratamento do 
efluente da regeneração;
Não há formação de lodo 
no processo;
Ocorre saturação da 
resina, exigindo a sua 
regeneração; 
As resinas podem ser 
regeneradas; 
Requer um pré-
tratamento da água; 
Alta eficiência para 
remoção dos íons 
responsáveis pela dureza; 
DesvantagensVantagens
Água
3. Incrustações
 As incrustações são deposições ou precipitações sólidas, 
de natureza alcalinas, que ocorrem nas superfícies internas 
de caldeiras e tubulações.
Normalmente, com a elevação da temperatura ocorre uma 
maior dissolução da substâncias sólidas na água.
Porém existem substâncias que apresentam difícil 
dissolução e as que com um aumento da temperatura 
tornam-se cada vez menos solúvel.
Ex:
CaSO4 = solubilidade diminui com o aumento da temperatura.
CaCO3 = solubilidade não altera com a temperatura.
Água
 As principais causas da existência de depósitos são:
•excesso de impurezas presentes na água de 
alimentação;
•processo de corrosão que forma subprodutos que 
se depositam;
•condensado ou vapor contaminados;
•tratamento químico aplicado inadequadamente.
 Além de influenciar na condutividade térmica, estes 
depósitos provocam um sobreaquecimento da chapa 
metálica, e à medida que a temperatura aumenta a sua 
resistência à tração de escoamento diminui podendo 
provocar dilatações e até mesmo rupturas dos tubos em 
consequência da alta pressão.
Água
Água
 Possíveis consequencias causadas por incrustações:
•superaquecimento dos tubos,
•perda de rendimento, 
•possível ruptura da tubulação, 
•maior consumo de combustível, 
•ataque cáustico, 
•fragilidade por hidrogênio, 
•obstrução ao fluxo de água.
Água
3.1. Prevenção de incrustações
* Descargas de nível
 Visam limitar o teor admissível de sólidos dissolvidos na 
água do gerador de vapor.
Controla os ciclos de concentração (sólidos em suspensão, 
sólidos totais dissolvidos, alcalinidade e sílica).
 Vantagens:
•Aumenta a economia na operação do sistema;
•Evita arraste devido ao alto teor de sólidos;
•Evita desperdício de água, de combustível e de produtos 
destinados ao tratamento.
Água
* Descargas de fundo
 Removem a lama e parte dos sólidos dissolvidos.
 Tais descargas são manuais e sua importância aumenta 
quando a concentração de lama na água da caldeira é alta.
Água
3.2. Eliminação de incrustações
 Quando possível, uma limpeza física é feita inicialmente, e 
em seguida inicia-se a limpeza química.
 O processo de limpeza química pode ser dividido em:
limpeza
pré-operacional;
limpeza de 
caldeiras 
em operação;
Água
 Principal objetivo: retirar os depósitos soltos no interior 
da caldeira e a parte oxidada do metal.
* Limpeza química pré-operacional
•1ª fase = remoção de óleos, gorduras e sujeiras.
Detergente alcalino a quente (65a 95°C) com duração de 6 a 
8 horas com recirculação da solução.
•2ª fase = remoção de óxidos de ferro.
Ex: HCl com inibidor
soluções a 5% com a presença de um inibidor, cuja 
concentração fica em torno de 0,3%
Inibidor = um composto orgânico, o qual é adicionado à solução 
ácida evitando que o ácido clorídrico ataque o metal base, mas não 
minimizando o ataque do ácido sobre o óxido de ferro.
Água
* Limpeza química de caldeiras em operação
 Metodologia:
1. Acomodação das crostas;
2. Limpeza ácida;
3. Neutralização;
4. Cuidados com a atmosfera de hidrogênio;
Água
 Acomodação das crostas
Lavagem alcalina a quente para a remoção das gorduras e 
óleos além de amolecer e tornar porosos os depósitos, o 
que facilitará posteriormente a limpeza química ácida.
Após a lavagem alcalina, deve-se remover toda a solução 
básica.
 Limpeza ácida
O ácido mais utilizado para a limpeza química é o clorídrico, 
mas o sulfúrico, fosfórico e sulfâmico são também bastante 
usados industrialmente, e sempre acompanhados por um 
inibidor de oxidação.
Após a limpeza ácida a solução no interior da caldeira 
deverá ser esgotada e lavar a caldeira internamente com 
jato de água sob pressão para remoção dos depósitos.
Água
 Neutralização
A caldeira deverá ser cheia com água limpa e adicionada 
uma solução alcalina com inibidor para neutralização.
 Cuidados com a atmosfera de hidrogênio
Problemas causados pela liberação de hidrogênio durante a 
limpeza química:
•Fragilidade do aço;
•Atmosfera explosiva;
Ao realizar uma limpeza química ácida deve-se ventilar o 
máximo possível a casa de caldeira.
Água
4. Corrosão
Corrosão é um processo eletroquímico capaz de se 
desenvolver em meio ácido, neutro ou alcalino, na presença 
ou não de aeração, podendo ser acelerada pela presença de 
oxigênio dissolvido; teores elevados de cloro; presença de 
íons cobre e níquel, responsáveis pela formação de pilhas 
galvânicas; sólidos em suspensão que se depositam 
facilmente, de forma não aderente, em regiões estagnantes
e de alta transferência de calor (GENTIL, 1996).
Vários fatores podem levar ao processo corrosivo pela ação 
da água:
Ex:
•relação entre o pH e alcalinidade;
•relação entre gás carbônico livre e alcalinidade.
Água
* Relação entre o pH e alcalinidade
Água
* Relação entre CO2 livre e alcalinidade
Água
4. Água para reatores nucleares
Água
4.1. Reatores nucleares mais utilizados
•LWR - Light Water Reactors (reator de água leve)
BWR
Boiling Water Reactor
Reator de água 
em ebulição
PWR
Pressure Water Reactor
Reator de água 
a pressão
Água
* PWR - Reator de água a pressão
A água é colocada sob alta pressão (155 atm) para eliminar 
a ebulição, e serve como refrigerante e fluido de trabalho.
Dois circuitos: primário e secundário.
Circuito primário
A água remove 
o calor 
proveniente da 
fissão do 
urânio no 
reator.
A água é
bombeada para 
dentro do 
núcleo do 
reator.
A água
sai do 
núcleo com 
cerca de 
325°C.
Água
* PWR - Reator de água a pressão
Água
A água quente 
do circuito 
primário 
entrega calor a 
um circuito 
secundário de 
vapor.
O vapor 
produzido é
então 
expandido 
através da 
turbina a vapor 
que movimenta 
o gerador. 
Produção de 
energia.
OBS: o sistema é mantido sob alta pressão para que a água 
do circuito primário não entre em ebulição.
Circuito secundário
Água
* PWR - Reator de água a pressão
Água
* BWR - Reator de água em ebulição
É uma variante dos reatores de água pressurizada.
•operam a uma mais baixa pressão (em geral 70 atm);
•geram vapor diretamente no núcleo do reator, 
Ponto positivo: eliminação do trocador de calor intermediário 
usado em outros modelos para a formação de vapor.
Água
* BWR - Reator de água em ebulição