TCC LUANA MENESES versão final

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
AVALIAÇÃO DO TRATAMENTO DA ÁGUA EM TORRES DE RESFRIAMENTO DE UMA INDÚSTRIA METALÚRGICA
LUANA MENESES SABÓIA
FORTALEZA
2016
LUANA MENESES SABÓIA
AVALIAÇÃO DO TRATAMENTO DA ÁGUA EM TORRES DE RESFRIAMENTO DE UMA INDÚSTRIA METALÚRGICA
Monografia apresentada ao Curso de Engenharia Química do Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Ceará como requisito parcial para obtenção do Grau de Engenheiro Químico. 
Orientador: Prof. Dr. João José Hiluy Filho
							
FORTALEZA
2016
AGRADECIMENTOS
Agradeço à Deus, por além de me conceder o dom da vida, ter me dado uma família tão maravilhosa que acima de tudo me ensinou a ter muita fé, que é o que me move. Obrigada Deus por todas as boas oportunidades que surgiram em minha vida, por ser tão bom e fiel, por sempre ter me dado saúde, força e coragem para chegar até aqui. Agradeço à Maria, mãe de Deus, por sempre passar à frente dos meus caminhos e interceder por mim.
Agradeço aos meus pais, Luis Junior e Sandra Helena, que até com um simples olhar me transmitem tanta força e amor. Obrigada por toda a amizade, dedicação, paciência, abdicação e por tudo que me proporcionam. Vocês foram e sempre serão minha fonte de forças para seguir e vencer qualquer obstáculo. Aos meus irmãos e ao meu noivo por todo amor, apoio, incentivo e compreensão.
Aos meus amigos da UFC, em especial Palloma, Thais, Larissa C., Larissa V., Taís, Jefferson, Eduardo e Augusto, por não me deixarem desistir ao longo dessa difícil trajetória, por sempre me ajudarem e pela amizade que vai além da faculdade.
Ao Prof. Dr. João José Hiluy Filho, por sempre ajudar, compreender e orientar todos os alunos da Engenharia Química.
Ao Kleber, engenheiro do Grupo Aço Cearense, por toda ajuda e ensinamentos que contribuíram, imensamente, para meu o crescimento profissional.
Ao Bruno, químico da General Eletric (GE), pela disponibilidade, atenção e paciência em explicar fundamentos importantes para elaboração desse trabalho.
À todos os familiares e amigos que contribuíram com pensamentos positivos e palavras de incentivo ao longo desses anos.
RESUMO
Na indústria metalúrgica é grande a demanda de água destinada ao resfriamento de trocadores de calor para processos diversos (laminação, formação, corte de tubos e etc). Comumente utilizam-se torres de resfriamento para refrigerar a água utilizada nos processos. O sistema de torre de resfriamento pode utilizar água proveniente de diversas fontes, tais como: poços profundos, lagos, rios e açudes de captação. A característica físico-química da água proveniente de cada fonte é diferente (teor de sais dissolvidos, pH, condutividade), exigindo abordagens diversificadas no tratamento químico para garantir a integridade de todo o processo fabril direto e indireto. Esse trabalho teve o objetivo de mostrar a importância do tratamento químico para o sistema de resfriamento, com dosagens adequadas de inibidores de corrosão, dispersantes e biocidas, atingindo como resultado principal a redução do índice de paradas das máquinas por utilidades de 1% para 0,4%, impactando diretamente na produtividade industrial. 
Palavras-chave: Torre de Resfriamento, Tratamento químico.
ABSTRACT
In the metal industry the water demand for cooling heat exchangers is high for various processes (lamination, forming, pipe cutting, etc). Commonly cooling towers are used to cool the water used in the processes. The cooling tower system can use water from different sources, such as deep wells, lakes, rivers and dams of water withdrawal. The water physicochemical properties from each source are different (dissolved salt content, pH, conductivity), requiring chemical treatment with diversified approaches to ensure the integrity of all direct and indirect manufacturing process. This study aimed to show the importance of the cooling system's chemical treatment, with adequate dosages of corrosion inhibitors, dispersants and biocides, achieving as main outcome the reduction of machine downtime caused by utilities from 1% to 0,4%, directly impacting on industrial productivity.
Key-words: Cooling tower, Chemical treatment.
LISTA DE FIGURAS
14Figura 1 - Fontes de água	�
15Figura 2 - Usos da água	�
15Figura 3 - Distribuição dos recursos hídricos	�
17Figura 4 - Matriz de capacidade instalada de geração de energia elétrica no Brasil - Abril/2016	�
21Figura 5 - Sistema aberto de resfriamento sem circulação de água	�
22Figura 6 - Sistema semiaberto de resfriamento com circulação de água	�
23Figura 7 – Sistema fechado de resfriamento.	�
25Figura 8 - Funcionamento torre de resfriamento	�
25Figura 9 - Balanço térmico no processo em torre de resfriamento	�
30Figura 10 - Esquema de uma torre de resfriamento	�
34Figura 11 - Mecanismo de corrosão	�
35Figura 12 - Formas de corrosão	�
36Figura 13 - Sistema simples de cupons de prova	�
38Figura 14 - Incrustações de carbonato de cálcio	�
43Figura 18 - Sistema dosador para uso de cloro em pastilhas	�
45Figura 15 - Trocador do tipo placa	�
46Figura 16 - Trocador de calor do tipo casco e tubos	�
47Figura 17 - Fluxograma operacional	�
48Figura 19 - Sistema de dosagem química para o tratamento da torre de resfriamento	�
49Figura 20 - Aquacult lacrado, antes do experimento	�
50Figura 21 - Avaliação do crescimento microbiano	�
53Figura 22 - Contagem microbiológica antes do início do tratamento	�
53Figura 23 - Contagem microbiológica após o início do tratamento	�
54Figura 24 - Resultado após aproximadamente 6 meses de tratamento	�
54Figura 25 - Qualidade da água de resfriamento antes e durante o tratamento químico	�
55Figura 26 - Telas nas venezianas da torre de resfriamento	�
55Figura 27 - Filtro de tela do tipo Y e trocador de calor do tipo placas	�
56Figura 28 - % Interrupções de Máquinas de Tubos por utilidades	�
58Figura 29 - Filtro lateral para a torre de resfriamento	�
58Figura 30 - Tubulação do tipo espinha de peixe	�
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LISTA DE TABELAS
16Tabela 1 - Consumo de energia elétrica no Brasil, estratificação por classes	�
17Tabela 2 - Geração elétrica por fonte no Brasil (GWh)	�
29Tabela 3 - Percentagem da água arrastada em relação à vazão de circulação	�
33Tabela 4 - Economia de água de make-up em função do ciclo de concentração	�
44Tabela 5 – Caracterização analítica da água de reposição da torre de resfriamento	�
51Tabela 6 - Características físico-químicas da água de captação	�
51Tabela 7 - Características físico- químicas da água pós ETA	�
52Tabela 8 - Caracterização físico-química da água de resfriamento pré tratamento químico	�
52Tabela 9 - Caracterização físico-química da água de resfriamento pós tratamento químico	�
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SUMÁRIO
111. INTRODUÇÃO	�
131.1	OBJETIVOS	�
131.1.1 Objetivo Geral	�
131.1.2 Objetivos Específicos	�
142. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA	�
142.1 A ÁGUA	�
182.1.1 Água Industrial	�
192.1.2 Água de Resfriamento	�
202.2 SISTEMAS DE RESFRIAMENTO	�
202.2.1 Sistema Aberto de Resfriamento	�
212.2.2 Sistemas Semiabertos	�
232.2.3 Sistema Fechado	�
242.3 TORRES DE RESFRIAMENTO	�
262.3.1 Variáveis de processo, especificação e aspectos operacionais	�
282.3.2 Perdas de água	�
302.3.3 Balanço de massa e ciclo de concentração	�
332.4 PRINCIPAIS PROBLEMAS EM SISTEMAS SEMIABERTOS	�
332.4.1 Corrosão	�
352.4.1.1 Cálculo da Taxa de Corrosão	�
372.4.2 Incrustação e Depósito	�
392.4.3 Desenvolvimento microbiológico	�
402.5 TRATAMENTO DA ÁGUA DA TORRE DE RESFRIAMENTO	�
402.5.1 Inibidores de corrosão	�
422.5.2 Controle de depósitos	�
422.5.3 Biocidas	�
433. METODOLOGIA	�
453.1 SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO DA INDÚSTRIA EM ESTUDO	�
473.2 DOSAGEM DOS PRODUTOS QUÍMICOS	�
483.3 CONTROLE E AVALIAÇÃO DO TRATAMENTO	�
493.3.1 Contagem Microbiológicana Água	�
504. RESULTADOS E DISCUSSÂO	�
504.1 QUALIDADE DA ÁGUA DE REPOSIÇÃO	�
514.2 CONTROLE FÍSICO-QUÍMICO DA ÁGUA DA TORRE RESFRIAMENTO	�
575. CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS	�
596. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	�
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1. INTRODUÇÃO
A água é o recurso natural mais abundante do planeta. Em todo o mundo os recursos hídricos são essenciais para o desenvolvimento de diversas atividades. Da quantidade de água doce disponível em lagos e rios 70% é utilizada em atividades agropecuárias, 20% em atividades industriais e 10% em atividades domésticas (GOBBI, 2015).
A maior parte da energia elétrica no Brasil é proveniente de hidrelétricas. Nas indústrias a maior parcela do gasto energético é atribuída aos motores elétricos para movimentação de fluidos (RODRIGUES, 2007) e, segundo o Ministério de Minas e Energia (2016), o setor industrial é o maior consumidor de energia elétrica do país. Diante disso, é visível a importância de se estudar alternativas para que os equipamentos operem da forma mais eficiente possível.
A água é largamente utilizada como agente de resfriamento em diferentes processos. Torres de resfriamento de água são equipamentos responsáveis pela remoção de parte do calor gerado dos processos industriais. O processo envolve a transferência de calor latente devido a vaporização de uma pequena parte de água e, também, a transferência de calor sensível devido à diferença de temperatura entre a água e o ar.
Atualmente, no segmento industrial, a torre de resfriamento está associada a fatores de redução de custos operacionais e a fatores ambientais. Os sistemas de resfriamento operam, em geral, em circuito semiaberto visando à reutilização e a redução do desperdício de água. A reposição de água é necessária para suprir as perdas do processo por evaporação, arraste e purgas.
Embora a torre de resfriamento exerça importância nas condições operacionais do processo, é um equipamento de pouca atenção no pátio industrial, por se tratar de uma instalação não integrante do processo, pois a torre de resfriamento faz parte das “utilidades”, e porque em geral fica topograficamente afastada das unidades produtivas da fábrica. Porém, em face da importância das interações envolvidas com as unidades, a torre e o circuito de água de resfriamento merecem uma atenção especial na análise sistêmica de um processo industrial, às vezes, podem ocorrer falhas e interrupções e a solução pode ser encontrada ao ampliar o foco do estudo para as utilidades da fábrica.
As variáveis que são estabelecidas na especificação de uma torre de resfriamento são a carga térmica a ser removida do processo, a vazão de circulação de água, a diferença das temperaturas de entrada e saída da torre (range), a diferença entre a temperatura da água que sai da torre e a temperatura de bulbo úmido do ar ambiente (approach). O desempenho térmico da torre de resfriamento é de vital importância nas unidades industriais e pequenos desvios em relação às especificações de projeto podem implicar graves problemas de funcionamento impactando diretamente na economia do processo (CORTINOVIS; SONG, 2006).
Um dos principais problemas associados ao uso da água em sistemas de resfriamento está relacionado com a formação depósitos, incrustações, corrosão e com a proliferação de algas, bactérias e fungos, causados devido aos sais dissolvidos, sólidos e matéria orgânica em suspensão e dissolvidos na água. Esses problemas prejudicam não só a torre de resfriamento, mas também os trocadores de calor envolvidos no sistema de resfriamento, originando a perda de eficiência e o aumento dos custos de manutenção.
A proposta do presente trabalho consiste em mostrar, através de um estudo de caso, a importância do tratamento químico da água de resfriamento, onde são dosados diferentes produtos químicos inibidores e biocidas e são selecionados em função da superfície a tratar, com o objetivo de atenuar as causas e consequências dos problemas relativos aos sistemas (corrosão, incrustação, depósito). 
OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo Geral
Este trabalho tem como objetivo avaliar a importância do tratamento da água de resfriamento utilizada no processo da indústria metalúrgica, considerando as especificidades técnicas e econômicas do processo industrial.
1.1.2 Objetivos Específicos
Evidenciar a importância do sistema de resfriamento na indústria;
Analisar os principais problemas causados pela qualidade da água de resfriamento e deficiência de tratamento químico;
Avaliar a importância do tratamento da água de resfriamento no processo de produção da indústria.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 A ÁGUA
A água é um recurso natural essencial e o mais abundante do planeta, cerca de 70% da superfície é constituída de água e somente 30% é de terra (BRASIL DAS ÁGUAS). Diante desse percentual, apenas 2,5% da água é doce e 97,5% é salgada. Porém, somente 0,3% da água doce está disponível em lagos e rios que abastecem as cidades e pode ser consumida, e ainda, desse restrito percentual, uma grande parcela encontra-se poluída (GOBBI, 2015). 
Figura 1 - Fontes de água
Fonte: Secretaria de Recursos Hídricos do Ministério do Meio Ambiente.
Em todo o mundo, os recursos hídricos são importantes para o desenvolvimento de diversas atividades. A atividade agropecuária utiliza aproximadamente 70% da água doce presente em rios e em lagos, sendo a principal responsável pelo uso da mesma (PENA). No entanto, a maior parte da água utilizada em práticas agrícolas encontra-se contaminada por fertilizantes e pesticidas químicos e não pode ser reaproveitada. Dos 30% restantes, a atividade industrial utiliza, aproximadamente, 20% da água doce em seus processos, restando, assim, 10% para atender as necessidades domésticas (GOBBI, 2015).
Figura 2 - Usos da água
Fonte: GOBBI, 2015.
O Brasil possui a maior reserva de água doce do planeta, é um país privilegiado por possuir 12% de todos os recursos hídricos globais, o que corresponde a 5,4 trilhões de metros cúbicos de água, o que não necessariamente livra o país de sofrer com a falta desse importante recurso natural. Mas esse volume é desigualmente distribuído pelas regiões brasileiras, com: 68,5% na região Norte, que concentra menos de 7% da população; e 3,3% na região Nordeste, que concentra cerca de 29% da população (PENA).
Figura 3 - Distribuição dos recursos hídricos
Fonte: Secretaria de Recursos Hídricos do Ministério do Meio Ambiente.
 O consumo industrial de energia elétrica, no Brasil, diminuiu, segundo o Boletim Mensal do Sistema Elétrico Brasileiro de Abril de 2016. A retração do consumo foi de 6,2% ao comparar com o mesmo período de 2015, conforme representado na Tabela 1. Houve um crescimento de 5,0% no ramo de papel e celulose e 3,2% no ramo alimentício. Os outros setores apresentaram quedas no consumo de energia, com representatividade no setor de extração de minerais metálicos (-17,1%) e no setor de indústria têxtil (-14,8%) (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2016).
Tabela 1 - Consumo de energia elétrica no Brasil, estratificação por classes
Fonte: Ministério de Minas e Energia, 2016.
*Demais classes estão consideradas Poder público, Iluminação Pública, Serviço Público e Consumo próprio das Distribuidoras. 
A maior parte da energia elétrica no Brasil tem procedência de empreendimentos hidrelétricos, que, atualmente, respondem por cerca de 64,7% de toda a capacidade instalada de geração de energia elétrica do país. 
Figura 4 - Matriz de capacidade instalada de geração de energia elétrica no Brasil - Abril/2016
Fonte: Ministério de Minas e Energia, 2016.
*Em petróleo estão consideradas as usinas de óleo diesel, óleo combustível e as usinas biocombustíveis.
Na Tabela 2, observa-se que houve uma redução da utilização da energia elétrica gerada pelas hidrelétricas nos últimos anos, conforme o Balanço Energético Nacional de 2015. Em consequência disso, o Brasil aumentou o consumo de energia térmica (gás natural,derivados do petróleo, carvão, nuclear, biomassa).
Tabela 2 - Geração elétrica por fonte no Brasil (GWh)
Fonte: Balanço Energético Nacional, 2015.
O principal motivo para a diminuição da utilização das hidrelétricas é devido aos baixos níveis dos reservatórios de água. A agravação da crise hídrica deve-se a uma quantidade de chuvas inferior à planejada para o ano de 2015 e pela falta de organização e investimentos em obras de infraestrutura por parte do Governo (CONSULTORIA LEGISLATIVA DO SENADO FEDERAL, 2015).
Devido a uma maior necessidade da utilização da energia das usinas térmicas, o valor da tarifa de energia elétrica aumentou 40% em 2015 (MARTELLO, 2015). Além de crescer significativamente a taxa sistêmica de emissão de CO2 e de outros gases geradores de efeito estufa (TANCREDI; ABBUD, 2013). 
Atualmente, diante do quadro de escassez hídrica, todas as termelétricas encontram-se em funcionamento no país (JONATHAS, 2015).
2.1.1 Água Industrial
A água é bastante utilizada na indústria e pode ter diversas finalidades. A água destinada ao uso industrial requer maiores cuidados com determinados materiais de diferentes características presentes nela. Dependendo da atividade industrial, a água precisa de algumas especificações de qualidades de acordo com suas características físicas, químicas ou biológicas (OLIVEIRA).
A água na indústria pode ter as seguintes aplicações (VIANA):
Algumas indústrias utilizam a água como matéria prima no processo industrial, em que a água é incorporada ao produto final. Podendo citar como exemplo indústrias de bebidas, cosméticos, alimentos, farmacêutica, produtos de higiene pessoal e limpeza doméstica;
Pode ser utilizada na formação de outros produtos, como o hidrogênio através da eletrólise;
Em alguns setores industriais, a água é utilizada como fluido auxiliar na preparação de soluções químicas e de suspensões, de compostos intermediários, de reagentes químicos ou em operações de lavagens;
A água pode ser utilizada em seu estado natural para gerar energia elétrica;
Pode ser utilizada como fluido de aquecimento ou resfriamento em etapas industriais;
A água também pode ser utilizada para fins secundários: no transporte e absorção de contaminantes gerados no processo industrial, como de instalações sanitárias, lavagens de equipamentos e instalações ou para a incorporação de subprodutos;
2.1.2 Água de Resfriamento
Em diversos processos industriais, o funcionamento de algumas máquinas e dispositivos, geram uma quantidade de calor indesejado, sendo necessária a sua remoção do sistema. A água geralmente é utilizada como fluido de resfriamento, é considerada um meio eficaz para a absorção e dissipação desse calor do processo, pois apresenta um calor específico relativamente elevado e encontra-se em abundância no planeta (TERMOPARTS).
 Pode-se destacar alguns seguimentos que necessitam de água de resfriamento para dissipar o calor gerado no processo, como os listados abaixo (TROVATI, 2004): 
Em atividades siderúrgicas, metalúrgicas, fundições, usinagens, resfriamento de fornos, moldes, formas;
Resfriamento de reatores químicos, bioquímicos e nuclear;
Condensação de vapores em operação de destilação e de evaporadores, colunas barométricas, descargas de turbinas de instalações termelétricas e nucleares;
Resfriamento de compressores e de gases frigoríficos em sistemas de refrigeração (condensadores evaporativos), incluindo operações de ar condicionado e frio alimentar;
Arrefecimento de mancais, peças, partes móveis, lubrificantes, rotores e inúmeras máquinas e equipamentos;
Resfriamento de diversos fluidos em trocadores de calor.
A água de resfriamento pode apresentar sais e gases dissolvidos e materiais em suspensão, que lhe confere características corrosivas e incrustantes ou formação de borras, e atuam especialmente em superfícies de troca térmica. Assim, a qualidade da água de resfriamento determina a eficiência, a capacidade de resfriamento do sistema, além do tempo útil de funcionamento do equipamento (MELLO, 2008). 
2.2 SISTEMAS DE RESFRIAMENTO
Como dito anteriormente, a água é largamente utilizada como agente de resfriamento em diferentes processos. Os sistemas de resfriamento da água podem ser classificados em dois tipos: direto ou indireto (CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA, 2013). 
No método direto, a água é aspergida diretamente sobre o objeto a ser resfriado, acontece em alguns processos da indústria siderúrgica, por exemplo. No método indireto, o resfriamento acontece através de permutadores de calor, como, lagoas, torres, trocadores de calor (APOSTILA UTILIDADES INDUSTRIAIS, 2012). 
Os sistemas indiretos, basicamente, são classificados em três tipos: sistema aberto de resfriamento (ou sistema de uma só passagem, sem recirculação), sistema fechado (com recirculação) e sistema semiaberto (ou aberto com recirculação) (DANTAS, 1989). Os dois primeiros são denominados sistemas não evaporativos e o terceiro é um sistema evaporativo (MELLO, 2008).
2.2.1 Sistema Aberto de Resfriamento
O sistema aberto é utilizado quando a indústria é localizada próximo à grandes mananciais, onde tem uma grande quantidade de água disponível, por exemplo, as águas de rios, de lagos ou de mares, com condições de qualidade e temperatura satisfatória para atender as necessidades do processo.
Refinarias de petróleo, indústrias químicas e petroquímicas, usinas termoelétricas e nucleares, quando localizadas nas proximidades de zonas litorâneas, muitas vezes utilizam água do mar. Nesses casos, é praticamente impossível o tratamento de corrosão (GENTIL, 2001). 
Nesse tipo de sistema, a água é captada em sua fonte, passa através dos trocadores de calor para refrigerá-los, sendo lançada em sua fonte original ou reutilizada para outra finalidade, em outro local (DREW, 1979).
Figura 5 - Sistema aberto de resfriamento sem circulação de água
Fonte: MANCUSO, 2001.
Para esse processo o custo de manutenção é baixo, no entanto o custo de operação é elevado, pois obriga a utilização de tubos fabricados em materiais mais estáveis quimicamente nos trocadores de calor, já que a água de resfriamento recebe pouco ou nenhum tratamento químico. Com isso, compromete as instalações e os equipamentos a situações críticas, de incrustação e corrosão (DANTAS, 1988). Outra desvantagem é devido o despejo de grandes volumes de água aquecido resultantes do processo de resfriamentos em fontes naturais, como em rios, mares e lagos, provocando problemas ao meio ambiente e ao ecossistema (NASCIMENTO, 2004). Problemas que também merecem destaque incluem o fouling biológico e as incrustações que acarretam uma resistência maior na troca térmica.
2.2.2 Sistemas Semiabertos
Os sistemas semiabertos são utilizados quando se necessita de um elevado volume de água para o processo, mas a sua disponibilidade é limitada (MELLO, 2011). A água nesse tipo de sistema é reutilizada, passa pelo equipamento de troca térmica, é encaminhada para uma torre de resfriamento onde seu calor é dissipado, retornando então para as unidades operacionais a uma temperatura adequada para o uso. 
Figura 6 - Sistema semiaberto de resfriamento com circulação de água
Fonte: MANCUSO, 2001.
A evaporação da água no sistema pode ser responsável por 85% a 95% da refrigeração (DREW, 1979), provoca perda de parte da água do sistema, com a necessidade de reposição constate de água fria para o funcionamento do mesmo, e, consequentemente, o aumento da concentração de sais e de outras substâncias na água de recirculação, limitando o reuso (ELKIND, 1996). Assim, aumenta o risco de corrosão, incrustações e depósitos, tornando necessário o tratamento dessa água (MACHADO, 2004).
Esse sistema tem a desvantagem de possuir um alto custo inicial. Porém, os custos operacionais do processo podem ser reduzidos devido a um tratamento adequado da água de resfriamento, que possibilita um tempo de vida útil maior aos equipamentos. Além disso, esse tipo de sistemadiminui os problemas com desperdício de água e com o meio ambiente (TROVATI, 2004).
2.2.3 Sistema Fechado
Esse sistema é utilizado quando há a necessidade da água ser mantida a temperaturas inferiores do que as alcançadas pelos sistemas semiabertos (MELLO, 2011). Sendo aplicado em circuitos de refrigeração, sistemas de aquecimento ou sistemas de água quente, como: circuitos fechados para resfriamento de compressores e de turbinas a gás, trocadores de calor na indústria, instalações de água gelada, radiadores de motores de combustão interna e algumas instalações de ar condicionado e refrigeração (TROVATI, 2004). 
Este sistema possui dois trocadores de calor, como esquematizado na Figura 7, a água não é exposta ao ar, seu resfriamento ocorre através dos trocadores de calor (NASCIMENTO, 2004). Usualmente o sistema fechado é implantado junto a um sistema aberto. O resfriamento do fluido refrigerante acontece no trocador de calor sem contado com a água de resfriamento. Praticamente não há perda de água nesse sistema, podendo ocorrer apenas devido a algum vazamento em gaxeta ou conexão.
As vantagens desse arranjo é que como as perdas são pouco significativas os sais não se concentram, a reposição de produtos químicos para tratamento da água é pequena, não há necessidade de purgas e em consequência não ocorrem muitos problemas com depósitos e incrustações (MACHADO, 2004).
Figura 7 – Sistema fechado de resfriamento.
Fonte: MANCUSO, 2001.
2.3 TORRES DE RESFRIAMENTO
As torres de resfriamento são equipamentos que utilizam processos de evaporação e transferência de calor para dissipar uma parte do calor gerado pelos processos industriais (TERMOPARTS). A maior contribuição para o resfriamento da água é dada pela evaporação da água que circula na torre, que consiste na transferência de massa da água (fase líquida) para o ar (fase gasosa), processo de resfriamento que envolve a transferência de calor latente. Outro processo que confere o resfriamento da água é transferência de calor sensível pelo contato da água com o ar numa temperatura mais baixa (CORTINOVIS; SONG, 2006). Aproximadamente 80% do resfriamento ocorrem através da transferência de calor latente e 20% devido ao calor sensível (CHEREMISINOFF; CHEREMISINOFF, 1981).
O principio de funcionamento de uma torre de resfriamento consiste em que a água aquecida que sai do processo é alimentada e distribuída no topo da torre, preenchida por um enchimento interno que tem a função de espalhar melhor a água. O ar ambiente é insuflado, a água desce em contra corrente com o ar (BERALDO; ALVES). O resfriamento ocorre, quando o vapor de água, pela evaporação de um baixo percentual de água aquecida cai pela torre e entra em contato com o ar por certo tempo, até ser recolhida pela bacia coletora de água fria, que se localiza abaixo da torre de resfriamento (ASHRAE Handbook, 2012). O restante do calor perdido ocorre pela própria diferença entre a temperatura da água e a temperatura de bulbo úmido do ar. Em regiões de clima frio, essa perca por calor sensível pode ser maior (DANTAS, 1988).
Figura 8 - Funcionamento torre de resfriamento
Fonte: MELLO, 2008. 
A força motriz no processo de resfriamento consiste na diferença do potencial de entalpia. Considerando que cada gotícula de água está coberta por uma película de ar na temperatura da água, a diferença de entalpia entre a película e o ar ambiente gera a força motriz necessária para o processo de resfriamento (GOMES,1997). 
Figura 9 - Balanço térmico no processo em torre de resfriamento
Fonte: GOMES, 1997.
O processo de transferência de massa e de calor é dependente da área de troca térmica. Para proporcionar um maior tempo e área de contato da água com o ar os bicos de pulverização e os recheios são utilizados nas torres de resfriamento. A função desses dispositivos é cessar a queda livre da água, promovendo a formação de respingos e assim aumentando o tempo e a área de contato entre o ar e a água (OIKAMA, 2012).
 As vazões da água e do ar que alimentam a torre também são importantes fatores para promover os mecanismos de transferência envolvidos no processo de resfriamento. Maiores vazões de água e de ar acarretam uma maior convecção, causando o aumento da turbulência e elevando os coeficientes globais de transferência de calor e massa, que, consequentemente, facilita a transferência de calor e de massa. Porém, essas vazões não devem ser tão altas, pois a partir de um determinado ponto, o contato do ar e da água é ineficiente, podendo promover, por exemplo, o arraste em excesso de água pela corrente de ar ou dificultar a formação dos filmes na superfície do recheio que auxiliam na transferência de massa (CORTINOVIS; SONG, 2006).
2.3.1 Variáveis de processo, especificação e aspectos operacionais
O tamanho de uma torre de resfriamento é determinado a partir da necessidade de calor a ser removido do processo por unidade de tempo, ou seja, a carga térmica (MELLO, 2008). Além disso, a vazão de circulação de água, a diferença das temperaturas de entrada (água quente) e saída (água fria) da torre, que é definida como o range do sistema, a diferença entre a temperatura da água que sai da torre e a temperatura de bulbo úmido do ar ambiente, o approach, e o parâmetro de desempenho, também são variáveis estabelecidas na especificação de uma torre de resfriamento de água (OLIVEIRA, 2011).
O parâmetro de desempenho da torre é o produto entre o coeficiente global de transferência de massa e a área específica do recheio da torre, que depende do tipo de recheio e das vazões de água e ar utilizadas (CORTINOVIS, SONG, 2006).
As condições climáticas do local e a vazão da água de resfriamento influenciam na variação do range (EVANS JR, 1980). 
O approach de uma torre de resfriamento pode mensurar a eficiência de uma torre de resfriamento, de modo que, quanto mais próxima a temperatura da água resfriada estiver do bulbo úmido, maior será a eficiência do sistema (TROVATI, 2004). Para torres de resfriamento industriais, o approach está entre 3ºC e 11ºC e à medida que essa temperatura diminui, o tamanho da torre aumenta exponencialmente, assim, seria necessária uma torre de altura infinita para que água atinja a temperatura de bulbo úmido do ar (PANNKOKE, 1996). Em geral, valores de approach maiores que 10ºC indicam uma operação deficiente no sistema de resfriamento, o que pode ser causado por subdimensionamento, obstruções ou canais preferenciais nos recheios, bicos entupidos os danificados, baixa velocidade do ar, etc.
A temperatura de bulbo úmido é a menor temperatura obtida por um sistema de resfriamento (TRAVOTI, 2004). E é um fator de importância para o dimensionamento, seleção e o funcionamento da torre, que consiste na temperatura alcançada por uma pequena parcela de água em regime permanente, exposto a uma corrente de ar não saturado, em condições adiabáticas sem radiação térmica (McCABE; SMITH; HARRIOT, 2005). 
O processo de transferência de massa e de calor é influenciado pela temperatura do ar ambiente, a umidade do ar, a temperatura de bulbo úmido, assim, o desempenho no funcionamento da torre de resfriamento depende fortemente do clima da região. No período do inverno, a temperatura do ar diminui e ,mantendo a carga térmica constante, a temperatura de saída da água também é reduzida (CORTINOVIS, SONG, 2006), caso seja necessário manter essa temperatura constante, reduz-se a vazão de água que circula no sistema de resfriamento. Já no período de verão, ocorre de forma o contrária (MORETTI, CORAZZINI, & PEGAN, 2006).
Um fator que pode interferir na operação de uma torre de resfriamento são fontes de calor próximas da mesma. Os problemas mais comuns em torres de resfriamento são de recirculação e interferência, causados devido à direção dos ventos, dificuldades de dispersão do ar de saída e formação de neblina (BUHRMANN; WALDT; HANEKOM; FINLAYSON, 1999).
Outra variável importante para o sistema de resfriamento é a pressão na tubulação de distribuiçãode água de resfriamento, é importante garantir que todos os consumidores recebam a vazão necessária para operação, que também é importante para a segurança operacional (CORTINOVIS, SONG, 2006). 
A qualidade da água de resfriamento que circula pelo sistema também é um fator importante, pois influencia diretamente na operação e tempo útil de funcionamento da torre de resfriamento e no desempenho térmico da rede de trocadores de calor (CAMPAGNE, 1984). Por isso é necessário um tratamento químico, qualidade da água de reposição e uma taxa de drenagem adequados. 
2.3.2 Perdas de água
Para as indústrias, hoje em dia, a torre de resfriamento está ligada a fatores de diminuição de custos operacionais e a fatores ambientais, pois uma característica importante deste equipamento é a formação de um circuito sem desperdício de água desnecessários, com reposição da mesma apenas para suprir as perdas que ocorrem devido à evaporação, arraste e purgas (MELLO, 2008). As perdas de água são consideradas pequenas, e geralmente não ultrapassam 2% da vazão da água em circulação.
Com o processo de evaporação da água do sistema de resfriamento, é preciso a reposição da mesma. A evaporação também causa o aumento na concentração de sais dissolvidos, e para manter uma determinada concentração desses sais e outras impurezas e evitar problemas com depósito dos mesmos, corrosão e proliferação de microrganismos é necessário realizar um regime adequado de descargas. E ao entrarem em contato com o fluxo de ar, pequenas gotículas de água são arrastadas pelo mesmo o que também causa perda de água do sistema (TROVATI, 2004). 
Essa descarga de água, também chamada de purga ou blown down, pode ser controlada, juntamente com o ciclo de concentração, manualmente ou automaticamente através de válvulas que atuam por temporizadores ou por medidores de condutividade. Podem ser instalados analisadores na linha de alimentação da água de make-up e na linha de blown-down. O processo de descarga da água dos sistemas de refrigeração é realizado quando a condutividade da água alcança um nível pré-estabelecido. O volume de água drenado do sistema é feito de forma contínua (MEIO FILTRANTE, 2003).
As perdas por evaporação estão sujeitas às leis físicas, dependendo das cargas e das condições do clima. Para cada 5,5ºC de resfriamento conseguido na água a taxa de evaporação é de, aproximadamente, 1% da vazão de recirculação (LOBO, 2004). Pode ser calculada de forma mais precisa pela seguinte fórmula (ALPINA EQUIPAMENTOS):
GI0 = (2.1) 
Onde GI0 é a perda de água por evaporação, em m³/h ou t/h; GI vazão da água em circulação, em m³/h ou t/h; t1 – t2 é o diferencial térmico entre as temperaturas da água na entrada (t1) e a saída da torre (t2); h2 –h1 é o diferencial de entalpia do ar, na entrada e na saída da torre de resfriamento em kcal/kg ar seco; x2 - x1 é o diferencial de conteúdo de vapor do ar úmido, na entrada e na saída da torre de resfriamento, em g/kg ar seco.
As perdas por arraste ou respingos representam cerca de 0,05% a 0,2% da vazão da torre (LOBO, 2004), variam de acordo com os critérios de construção da torre, do tipo e da sua localização (CASETTA; MANSUR, 2004). Podem ser utilizados eliminadores de gotículas para minimizar essas perdas, que consistem em um conjunto de chicanas ou obstáculos colocados entre o sistema de distribuição de água na torre e o ponto de descarga de ar ou ventilador (APOSTILA UTILIDADES INDUSTRIAIS, 2012). 
Tabela 3 - Percentagem da água arrastada em relação à vazão de circulação
Fonte: DANTAS, 1988.
2.3.3 Balanço de massa e ciclo de concentração
O cálculo do balanço de massa para torres de resfriamento não é preciso por conta da quantidade de variáveis ambientais e de processo envolvidas.
A figura 10 representa o esquema de uma torre de resfriamento. Tomando como base essa figura, pode-se relacionar as correntes com equações para desenvolver o balanço de massa do sistema. 
Figura 10 - Esquema de uma torre de resfriamento
Fonte: MEIO FILTRANTE, 2003.
A corrente denominada tratamento químico é referente a quantidade de produtos adicionados para o tratamento químico da água de resfriamento. No entanto, a quantidade adicionada pode ser considerada desprezível com relação às demais no balanço de massa. Considerando o sistema em regime permanente, a equação para o balanço global do sistema pode ser escrita da seguinte maneira:
A = D + R + E (2.2)
Onde A é a vazão da água de reposição em m³h-1; D é a vazão de purga em m³h-1; R é a vazão das perdas por arraste em m³h-1; E é a vazão das perdas por evaporação em m³h-1 (VIEIRA, 2011).
Como dito anteriormente, as perdas de água de uma torre de resfriamento podem ocorrer devido o processo de evaporação, arraste e pelas purgas, com isso é necessário água de reposição, ou make-up, para compensar. A quantidade de sais (cloretos, carbonatos, etc) deve ser controlada, para evitar incrustações no sistema ou corrosão (LOBO, 2004).
Considerando a concentração de impurezas e sais dissolvidos tem-se:
ACA = DCD + RCR + ECE (2.3)
Na evaporação não há arraste de sais, então CE = 0, e as concentrações de impurezas e sais dissolvidos dos respingos (CR) e das purgas (CD) são iguais e serão chamadas de concentrações salinas (CS). Desta forma:
ACA = DCS + RCS (2.4)
ACA = (D + R)CS (2.5)
Da equação (2.5), obtém-se:
CS / CA = A / (D + R) (2.6)
CS / CA = ( D + R + E ) / (D + R) (2.7)
Quando o sistema está em operação, as cargas salinas adicionais introduzidas pela água de reposição devem ser iguais às que são removidas. Assim CS / CA é constante (MACHADO, 2004).
O ciclo de concentração é a medida da concentração de sais e outras impurezas na água de reciclo, pode ser representado pela razão entre a concentração de sólidos totais dissolvidos na água de resfriamento e a concentração de sólidos dissolvidos na água de reposição (VIEIRA, 2011), determina o número de vezes que a água de alimentação se concentrou no sistema. 
É um dos parâmetros mais importantes para avaliar a qualidade da água em indústrias que utilizam torres de resfriamento. Além de permitir avaliar quantas vezes a água recircula no sistema de resfriamento. Pode ser calculado de acordo com a fórmula 2.7.
Na maioria dos processos, é difícil de se obter o ciclo de concentração de um sistema através da medição e do cálculo das vazões de reposição, descarga, arrastes e evaporação. Assim, o ciclo também pode ser calculado através da equação 2.8, que é a relação entre de concentração de uma dada espécie química na água de circulação (CS) e a concentração desta espécie química na água de reposição (CA) (NASCIMENTO, 2004).
C= CS / 
Todo sistema de resfriamento tem suas particularidades, mas na maioria dos casos o ciclo está entre 5 e 10 (KEEN; PUCHORIUS, 1987). O ciclo de concentração a ser utilizado para cada sistema é determinado pelo seu projeto, pelas propriedades da água, pelas variáveis operacionais e pelo programa de tratamento utilizado (BETZ, 1991).
O ciclo de concentração é utilizado como indicador do volume de água que é necessário ser removido do sistema de resfriamento para manter os níveis aceitáveis de concentração de sais no sistema (VIEIRA, 2011). A purga é minimizada quando o ciclo de concentração aumenta, que é consequência de um programa de manutençãoe operações integradas. O volume de água que é economizado pelo aumento do ciclo de concentração pode ser estimado como mostra a tabela 4 (MEIO FILTRANTE, 2003).
Tabela 4 - Economia de água de make-up em função do ciclo de concentração
Fonte: MEIO FILTRANTE, 2003.
O ciclo de concentração máximo na qual uma torre de resfriamento pode operar corretamente dependerá da qualidade da água de reposição, assim como outros parâmetros físico-químicos: pH, alcalinidade, condutividade, dureza, STD e densidade de microrganismo (MEIO FILTRANTE, 2003), pois com o aumento do ciclo aumenta também o risco de incrustações e de crescimento microbiológico (SILVA, 2009).
2.4 PRINCIPAIS PROBLEMAS EM SISTEMAS SEMIABERTOS
Os sistemas de resfriamento podem apresentar diversos problemas causados por contaminantes presentes na água de reposição e adquiridos devido as condições internas e externas do sistema. Os principais problemas dos sistemas semiabertos são: corrosão, incrustação, depósito e crescimento microbiológico (MATOS, 2008).
2.4.1 Corrosão
De acordo com Gentil (2011), corrosão consiste na deterioração do material metálico, por reação química e eletroquímica do meio e por processos físicos. A corrosão é espontânea, desenvolve-se a partir de uma diferença de potencial elétrico entre dois metais ou entre diferentes partes de um único metal, está relacionada com a oxidação de um metal para a formação de um composto mais estável do ponto de vista energético nas condições em que se encontra (KURITA, 2004).
Figura 11 - Mecanismo de corrosão
Fonte: SUZUKI; KURITA, 1999.
Das várias formas de corrosão, a que mais se evidencia é a corrosão sob depósitos, representa mais de 70% da corrosão encontrada em sistemas de resfriamento de água (DREW, 1979).
O processo de corrosão é acelerado pela presença de oxigênio, aço carbônico, metais distintos em contato com o sistema, microrganismos, por baixos valores de pH, elevadas concentrações de cloretos e sulfatos e absorção pela água de gases ácidos (H2S, SO2 e SO3) (DANTAS, 1988).
Os problemas associados à corrosão em sistemas de água de resfriamento afetam as tubulações e os equipamentos de troca térmica, resultando na redução de eficiência, causando vazamentos, aumentando a perda de carga e diminuindo a vida útil destes (FERRAZ, 2007).
A proteção contra a corrosão pode ser realizada por meio do controle biológico, com cloração e biocidas, do controle do pH, do uso de inibidores de corrosão, de proteção catódica e do uso de antiincrustantes (LOBO, 2004).
As formas como a corrosão pode se manifestar-se são definidas principalmente pela aparência da superfície, as principais podem ser observadas na figura 12: 
Figura 12 - Formas de corrosão
Fonte: GENTIL, 2003.
2.4.1.1 Cálculo da Taxa de Corrosão
O método mais comum e utilizado para se calcular a taxa de corrosão é o método da perda de massa, que consiste na observação do comportamento cupons de prova metálicos em função do tempo, determinando a perda de massa por unidade de superfície (MELLO, 2008).
Esses cupons são feitos com todos os metais e ligas constituintes do sistema, são colocados em contato com a água de resfriamento em suporte adequado por um período mínimo de 30 dias. Ao término do ensaio, os mesmo são avaliados de forma qualitativa, onde se avalia a cor, intensidade e o tipo de corrosão, e quantitativa (TROVATI, 2004), através da taxa de corrosão por medição da perda de massa, que é a subtração da massa original e da massa medida após ensaio (medição feita após limpeza dos cupons de prova expostos ao meio) (ASTM, 2003).
Figura 13 - Sistema simples de cupons de prova
Fonte: TROVATI, 2004.
A taxa de corrosão expressa a velocidade do desgaste observado na superfície metálica, a sua observação é de grande importância para a determinação da vida útil provável de equipamentos e instalações industriais (MELLO, 2008).
Para o cálculo da taxa de corrosão, é necessário a área total do cupom metálico em cm² (A), o tempo de exposição em dias (T), a realização da pesagem antes do procedimento (Pi) e, após o procedimento, com o cupom limpo e seco (Pf), conforme a Equação 2.9.
Taxa em mdd = 100.000 x (2.9)
Onde mdd é a taxa de corrosão na unidade de miligrama de perda de massa por decímetro quadrado por dia. Para obter o cálculo em outras unidades de taxa de corrosão, pode usar a fórmula 2.10:
mpy = mdd x (2.10)
 
 Em que mpy é a taxa de corrosão na unidade de milésimo de polegada de penetração por ano e D é a densidade do material do cupom.
2.4.2 Incrustação e Depósito
As incrustações são produzidas pela cristalização ou precipitação de sais dissolvidos na água do sistema. Com o processo de evaporação da água em uma torre de resfriamento, os sais que se encontram solubilizados na água, tendem a saturar e, consequentemente, depositam-se nas superfícies, formando incrustações (SILVA, 2013). 
Os principais fatores que influenciam na formação de incrustação e depósito são (LOBO, 2004): 
- Temperatura, taxa de transferência de calor;
- Alcalinidade, pH;
- Sólidos dissolvidos;
- Absorção pela água, circulando pela torre, de poeira do meio ambiente;
- Água com clarificação deficiente;
- Deficiência de filtração;
- Sais de cálcio e magnésio, principalmente, o carbonato de cálcio (CaCO3), sulfato de cálcio (CaSO4), fosfato de cálcio (Ca(PO4)2;
- Sílica solúvel (SiO2) e silicatos (SiO32-) de vários cátions;
- Óxidos de ferro, como Fe2O3.
Figura 14 - Incrustações de carbonato de cálcio
Fonte: TROVATI, 2004.
A incrustações e depósito podem causar aos sistemas de resfriamento diminuição das taxas de troca de calor nos trocadores, obstrução ou destruição do enchimento de torres de resfriamento e de tubulações e acessórios do sistema, entupimento de bicos e dispositivos distribuidores de água nas torres de resfriamento e, consequentemente, diminuição de eficiência da mesma e aumento dos processos corrosivos (TROVATI, 2004).
Existe diferença entre incrustações e depósitos, principalmente pelas incrustações estarem fortemente aderidas às superfícies, enquanto os depósitos são facilmente removidos. Um processo incrustante passa por uma etapa de nucleação, que é a formação do cristal semente, a partir da qual ocorrerá o surgimento de uma verdadeira incrustação. A maioria das deposições observadas são de natureza sedimentar.
As incrustações resultantes da precipitação de sais inorgânicos, geralmente, possuem resistência à transferência térmica. Quando ocorre da espessura do depósito ser significante a corrosão sob depósito é facilitada (MACHADO, 2004). 
2.4.3 Desenvolvimento microbiológico
Qualquer sistema exposto ao ar está sujeito a contaminações microbiológicas, pois o ar transporta bactérias e fungos para a torre de resfriamento, além disso uma água de reposição ausente de um tratamento adequado também carrega bactérias e algas para o sistema (MACÊDO, 2000). O crescimento excessivo desses microrganismos causa diversos problemas nos sistemas de resfriamento, alguns fatores favorecem esse desenvolvimento, como a presença de nutrientes, pH que favoreça o metabolismo, temperatura adequada, luminosidade, velocidade do fluxo e a presença de oxigênio dissolvido (HERRO; PORT, 1993).
Segundo Trovati (2004), os principais problemas gerados nos sistemas de resfriamento causados pelo excessivo crescimento microbiológico são:
− Formação de depósitos sobre superfícies de troca térmica (trocadores de calor, serpentinas, etc.), diminuindo as taxas de transferência de calor;
− Obstrução e entupimento de tubos, bicos aspersores, válvulas, equipamentos, acessórios, podendo diminuir a eficiência do processo, restringir a vazão, entre outros; 
− Formação de lodo no fundo das bacias e canais de distribuição, criando condições apropriadas para o surgimento de novas espécies de microrganismos;− Obstrução e crescimento exagerado em recheios e colméias de torres, diminuindo a eficiência no resfriamento de água e, em casos extremos, podendo até causar ruptura e desmoronamento do recheio;
− Formação de espuma na água de resfriamento;
​− Formação de incrustações devido a combinação de material inorgânico e substâncias mucilaginosas;
− Os depósitos de microrganismos sobre as superfícies metálicas aumentam a incidência de processos corrosivos, favorecendo as reações que os constituem; 
− Mau cheiro no local devido ao acúmulo de material orgânico;
− Desenvolvimento de classes patogênicas de microrganismos.
As medidas mais relevantes para proteção contra o desenvolvimento microbiológico são o emprego adequado de biocidas, limpeza sistemática e sanitização, revestimentos, eliminação de áreas de estagnação, aeração, variação de pH e proteção catódica (LOBO, 2004).
2.5 TRATAMENTO DA ÁGUA DA TORRE DE RESFRIAMENTO
Para o tratamento da água de resfriamento é utilizado um programa de tratamento que consiste no uso de inibidores de corrosão, dispersantes para controle de depósitos e biocidas (oxidantes e não oxidantes).
2.5.1 Inibidores de corrosão
Os inibidores de corrosão são os produtos químicos que atuam no retardamento do processo de corrosão mais empregado em sistemas de resfriamento. Seu princípio de ação baseia-se no impedimento ou diminuição das reações de óxido-redução que caracterizam os processos corrosivos. Assim, os inibidores de corrosão podem ser classificados em: inibidores anódicos, inibidores catódicos, os que apresentam ambas as propriedades e os inibidores específicos ao cobre.
Os inibidores agem na formação de um filme protetor (processo que se inicia desde a passivação do sistema) na tubulação, que leva a diminuição da taxa de corrosão, devido o abrandamento das reações anódicas, catódicas ou ambas. 
O tratamento é feito pela adição de polímeros que contém em sua estrutura íons metálicos que ao reagirem com o meio formam uma barreira protetora. Após a quebra da cadeia polimérica os metais agora em solução podem agir tanto na formação do filme citado anteriormente (longo prazo), como servirem de sacrifício para a proteção da tubulação do sistema (curto prazo). 
O desempenho e eficiência dos inibidores de corrosão, bem como a ocorrência de processos corrosivos no geral, estão relacionados à qualidade físico-química da água de resfriamento. Basicamente, os fatores que mais influenciam são: pH, condutividade elétrica da água, cloro residual ou outro biocida oxidante, temperatura e velocidade da água. Além disso, alguns compostos usados também no tratamento de água podem comprometer a eficiência dos inibidores de corrosão, tais como biocidas oxidantes fortes, substâncias fortemente catiônicas (quaternários de amônio, polímeros), entre outros (GENTIL, 2003). 
Influência do pH: quando se utiliza polifosfatos e zinco como inibidores de corrosão, para sistemas com pH abaixo de 6,0 implica numa aceleração do processo corrosivo, o qual permanece relativamente estável na faixa de 6,0 a 8,0, voltando a crescer acima de 9,0 pela formação de depósitos e incrustações sobre a tubulação. 
Influência da Condutividade: o aumento da condutividade, acima do adequado para o sistema, leva a um incremento do processo corrosivo, sendo que os principais contribuintes para o aumento da condutividade são cloretos e sulfatos. 
Influência do Cloro Residual: o hipoclorito de sódio ou o cloro gasoso são normalmente dosados na água de resfriamento para controlar o crescimento de microrganismos. Quando a dosagem não é bem controlada, a concentração de cloro residual pode atingir valores elevados e provocar corrosão. 
Influência da Temperatura da água: para materiais de aço carbono, sem inibidores de corrosão, a relação é direta, já com o uso de inibidores a base de polifosfatos e zinco, até aproximadamente 70°C não se observa uma influência acentuada, a partir disto, observa-se uma degradação do tratamento, pela aceleração da reação de reversão dos polifosfatos a ortofosfato com consequente incremento na taxa de deposição localizada. 
Influência da Velocidade da Água: em sistemas de resfriamento, a taxa de corrosão é elevada proporcionalmente à elevação da taxa de suprimento de oxigênio dissolvido junto à superfície metálica, o que ocorre na medida em que se eleva a velocidade da água. Em contrapartida, quando se utiliza inibidor, a queda na taxa de corrosão se verifica à medida que aumenta o contato do inibidor com esta mesma superfície, o que também ocorre com a elevação da velocidade da água.
2.5.2 Controle de depósitos
 
O controle de incrustações em sistemas de resfriamento é realizado pela adição de inibidores que evitam ou minimizam a deposição e a incrustação. 
A água do sistema de resfriamento possui em sua composição diferentes íons passíveis de formarem depósitos, tais como: cálcio, magnésio, manganês, ferro e sílica, encontrados principalmente sob a forma de carbonatos ou cloretos. Ao adicionar o dispersante, esse reage com os íons presentes na água, causando a distorção da estrutura cristalina, impedindo o seu crescimento desordenado e alterando sua forma. Com isso, os cristais não se aderem sobre a superfície e permanecem dispersos na água, a dispersão ocorre através da carga de repulsão que as partículas adquirem pela a adsorção do polímero. Assim, as partículas em suspensão podem ser eliminadas juntamente no processo de descarga da torre de resfriamento.
Nos sistemas de resfriamento o ideal é que o pH fique entre os valores 7,5 e 8,5, evitando assim oscilações em valores que tendem a corrosão (inferiores a 7) e favoreçam a deposição dos sais (superiores a 8.5).
2.5.3 Biocidas
O principal tratamento para minimizar o crescimento de microrganismos indesejáveis realizam-se pela adição de produtos químicos denominados biocidas. 
Os biocidas do tipo oxidantes têm seu principio de ação pautado na oxidação da matéria orgânica presente no microrganismo, que destrói suas estruturas vitais. O cloro (Cl2) é o biocida oxidante utilizado nos sistemas de água de refrigeração, podendo ser utilizado em sua forma líquida, sólida ou gasosa. A Figura 18 mostra o sistema de cloro utilizado no presente estudo.
Figura 18 - Sistema dosador para uso de cloro em pastilhas
Fonte: Autor.
Também pode-se fazer uso de biocidas do tipo não oxidantes, que apresentam mecanismos de ações mais específicos para o controle de crescimento dos microrganismos. Esses biocidas podem agir como inibidores de enzimas que apresentam funções vitais para o microrganismo ou agir através da rupturada da parede celular e citoplasmática dos microrganismos.
Os biocidas não oxidantes que apresentam resultados satisfatórios nesses sistemas de resfriamento utilizam como base a isotializolinona. Esse composto possui um amplo espectro de atuação contra bactérias, fungos e algas reagindo no citoplasma das enzimas e proteínas estruturais desses microrganismos.
 
3. METODOLOGIA
O sistema de resfriamento da indústria metalúrgica Aço cearense, localizada em Caucaia no estado do Ceará, foi objetivo do presente trabalho. Como sua principal fonte de água de reposição a torre de resfriamento conta com alimentação via açude, tendo também como fonte secundária poços artesianos.
O startup do sistema foi seguido do desengraxe e da passivação para o início de operação, que consiste na circulação de uma combinação de inibidores de corrosão antes de o equipamento entrar em operação, buscando assim, em condições específicas, provocar a formação de filmes protetores na superfície de interesse, de modo que a dosagem do inibidor de corrosão durante a operação do sistema terá apenas a função de regenerar a camada protetora formada, aumentando assim a efetividade do combate ao processo corrosivo (MELLO, 2008). O sistema permaneceu nessas condições por cerca de 90 dias até o início efetivo do acompanhamento químico adequado. 
A fim de determinar a importância do tratamento químico,iniciou-se uma rotina de analises físico-químicas para determinação da qualidade da água no sistema antes e depois de determinado o tratamento químico mais adequado. Os dados da água de reposição da torre de resfriamento foram compilados em um software analítico (Cycle Lab®) para simular diferentes condições de acordo com as variações físico-químicas possíveis. Através da simulação analítica foi possível prever o ciclo mais indicado para a operação do sistema:
Tabela 5 – Caracterização analítica da água de reposição da torre de resfriamento
Fonte: GE - General Electric.
Inicialmente, será descrito os produtos químicos utilizados no tratamento da água de resfriamento da indústria. Será, também, mostrado como ocorre a dosagem dos produtos químicos e o procedimento realizado para o controle e avaliação do tratamento da água.
A partir desses dados, no capítulo seguinte, será possível avaliar o tratamento utilizado pela ótica de diferentes aspectos, tais como: índice de parada das máquinas, característica físico-química da água de resfriamento, vida útil dos equipamentos e economia de água (maiores ciclos de concentração e redução no consumo).
3.1 SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO DA INDÚSTRIA EM ESTUDO
O sistema em estudo, existente na Indústria Aço Cearense, é composto de oito máquinas de laminação de tubos que trabalham com dois circuitos, um trocador de calor (do tipo placas) com o sistema de água industrial e água desmineralizada que resfria o cabeçote de soldagem.
Figura 15 - Trocador do tipo placa
Fonte: Autor.
O segundo funciona a base de óleo mineral solúvel para resfriamento dos tubos laminados, a água industrial também é utilizada através de um trocador de calor (do tipo casco e tubos) para resfriá-lo.
Figura 16 - Trocador de calor do tipo casco e tubos
Fonte: Autor.
O sistema de água de refrigeração que alimenta os trocadores de calor tem um arranjo de distribuição composto de quatro bombas em paralelo com duas torres de resfriamento operando em circuito semiaberto alimentando as máquinas e retornando para a torre conforme apresentado no fluxograma apresentado a seguir na Figura 17.
Figura 17 - Fluxograma operacional
Fonte: Autor.
3.2 DOSAGEM DOS PRODUTOS QUÍMICOS
Os inibidores, dispersantes e biocidas são dosados automaticamente na bacia da torre de resfriamento de acordo com as especificações adequadas para o sistema de resfriamento. Na Aço cearense, os inibidores e os dispersantes foram dosados diariamente através de bomba de diafragma programadas via temporizadores, enquanto que os biocidas foram dosados uma vez na semana ou de acordo com a necessidade (acompanhamento via laminocultivo, aquacult). 
Também foi dosado cloro em pastilhas através do sistema mostrado anteriormente, com o objetivo de auxiliar no controle microbiológico e de matéria orgânica, mantendo a faixa de concentração entre 0,5 – 1,5 ppm. Caso a concentração do cloro residual esteja acima da adequada para o sistema favorecerá problemas de oxidação na tubulação.
Figura 19 - Sistema de dosagem química para o tratamento da torre de resfriamento
Fonte: Autor.
Entretanto, em algumas situações são necessárias à adição extra de produtos químicos chamada de dosagem de choque. Essa dosagem ocorre manualmente na bacia da torre de resfriamento. 
As dosagens de choque ocorrem quando o residual de produto está baixo, sendo acompanhado através do residual de ortofosfato como subproduto do tratamento de superfície. Caso a água da torre esteja concentrada (elevada concentração de sais como: cloretos, sílica, dureza e etc) se faz necessário realizar o procedimento de purga para a renovação de até 1% do volume do sistema, uma vez que sais como cloretos não possuem um tratamento químico eficaz.
3.3 CONTROLE E AVALIAÇÃO DO TRATAMENTO
Para avaliar a eficácia do tratamento utilizado, foi realizado o controle físico-químico da água do sistema de resfriamento, buscando se manter uma periodicidade no mínimo semanal, além do método de contagem microbiológica.
3.3.1 Contagem Microbiológica na Água
O procedimento de contagem é realizado através de laminocultivo (aquacult), esse procedimento consiste em mergulhar o meio na amostra líquida em análise ou gotejar a mesma sobre o meio. Após 48 horas de cultivo é possível efetuar a contagem do meio e determinar o nível de contaminação microbiológica, com um limite estipulado para o nível de ação na ordem de 104 ufc/mL, sendo necessário medidas corretivas após este valor teto. 
Figura 20 - Aquacult lacrado, antes do experimento
Fonte: Autor.
Figura 21 - Avaliação do crescimento microbiano
Fonte: GE - General Electric
4. RESULTADOS E DISCUSSÂO
4.1 QUALIDADE DA ÁGUA DE REPOSIÇÃO
A alimentação industrial da Aço Cearense utiliza como fonte água proveniente de açude, que passa por um tratamento convencional a base de sulfato de alumínio e polímero aniônico para clarificação seguida de um polimento em filtro de areia e carvão em série e posterior cloração para adequação de potabilidade. As características físico-químicas da água de alimentação fabril (pré e pós tratamento) podem ser observadas nas tabelas 6 e 7:
Tabela 6 - Características físico-químicas da água de captação
	Água açude
	Parâmetro:
	Valores:
	Ph
	8,2
	Cloreto (ppm)
	167
	Condutividade (µS/cm)
	600-900
	Dureza total (ppm)
	112
Fonte: Autor.
Tabela 7 - Características físico- químicas da água pós ETA
	Água açude pós ETA
	Parâmetro:
	Valores:
	pH
	7,7
	Cloreto (ppm)
	70
	Condutividade (µS/cm)
	200-400
	Dureza total (ppm)
	60
Fonte: Autor.
A água de reposição é uma água clarificada, apesar de se tratar de uma água menos concentrada em contaminantes (sólidos dissolvidos e suspensos), apresenta um maior potencial corrosivo aos metais por não conter os produtos químicos de controle da corrosão, como é o caso da água circulante que possui inibidores e biocidas que protegem o metal do ataque desses. Esse potencial corrosivo será tão maior quanto pior for a sua qualidade. Dessa forma, em termos de sólidos suspensos, é de fundamental importância a confiabilidade e a otimização do processo de clarificação da água bruta, o que resulta em menor custo de tratamento devido à possibilidade em se poder operar o sistema com um maior ciclo de concentração, desde que os sais dissolvidos, que não são retirados na clarificação, não concentrem além do limite previsto no dimensionamento do tratamento.
 
4.2 CONTROLE FÍSICO-QUÍMICO DA ÁGUA DA TORRE RESFRIAMENTO
Durante o inicio da operação, o sistema apresentava uma elevada concentração de sais devido a ciclagem proveniente do sistema e a ausência de um acompanhamento mais efetivo. 
A partir dos dados obtidos semanalmente com a rotina analítica implementada foram compiladas duas tabelas a fim avaliar os impactos das medidas tomadas, utilizando-se as médias durante o período que compreende outubro de 2015 a junho de 2016. 
Tabela 8 - Caracterização físico-química da água de resfriamento pré tratamento químico
	Água de resfriamento pré tratamento químico
	Parâmetro:
	Faixa limite:
	Valores:
	pH
	7,5 - 8,5
	8,7
	Alcalinidade (ppm)
	<300
	400
	Condutividade (µS/cm)
	<3500
	4500
	Dureza total (ppm)
	<500
	650
	Ortofosfato (ppm)
	5,0 - 25,0
	3
	Cloreto (ppm)
	<600
	1000
	Sílica (ppm)
	<60
	24
Fonte: Autor.
Tabela 9 - Caracterização físico-química da água de resfriamento pós tratamento químico
	Água de resfriamento pós tratamento químico
	Parâmetro:
	Faixa limite:
	Valores:
	pH
	7,5 - 8,5
	8
	Alcalinidade (ppm)
	<300
	150
	Condutividade (µS/cm)
	<3500
	1500
	Dureza total (ppm)
	<500
	250
	Ortofosfato (ppm)
	5,0 - 25, 0
	12
	Cloreto (ppm)
	<600
	400
	Sílica (ppm)
	<60
	12
Fonte: Autor.
A análise de contagem microbiológica realizada antes do início do tratamento químico, apresentou um resultado acima do aceitável, comomencionado anteriormente, com um resultado de 107 ufc/mL.
Figura 22 - Contagem microbiológica antes do início do tratamento
Fonte: Autor.
Após o início do tratamento químico , já foi possível observar a diminuição da proliferação de microrganismos, como mostrado na figura 23.
Figura 23 - Contagem microbiológica após o início do tratamento
Fonte: Autor.
 Com aproximadamente 6 meses de tratamento e ações corretivas foi realizado um teste cruzado com uma empresa terceira, onde foi possível garantir a ausência de microrganismos. 
Figura 24 - Resultado após aproximadamente 6 meses de tratamento
Fonte: Autor.
Figura 25 - Qualidade da água de resfriamento antes e durante o tratamento químico
Fonte: Autor.
A rotina proposta para o acompanhamento do sistema em parceria com a tratadora consistiu em: telas de nylon para as venezianas (impedindo o arraste e contaminação do interior da bacia), redução do tempo de limpeza dos filtros de tela do tipo Y na tubulação de chegada das máquinas, rotina de purgas constantes de acordo com os resultados analíticos (condutividade e teor de sais dissolvidos).
Figura 26 - Telas nas venezianas da torre de resfriamento
Fonte: Autor.
A figura 27 evidencia a situação dos filtros de tela do tipo Y e dos trocadores de calor antes da utilização da telas de proteção nas venezianas da torre de resfriamento e da implantação do programa de tratamento químico no sistema.
Figura 27 - Filtro de tela do tipo Y e trocador de calor do tipo placas
Fonte: Autor.
Outro importante indicador que ratificou a importância do tratamento químico para as torres de refrigeração foi o índice de parada das máquinas de tubos, que nos forneceu uma estimativa, com base na produção fabril, da melhoria na capacidade produtiva de tubos, como podemos ver na figura 28.
Figura 28 - % Interrupções de Máquinas de Tubos por utilidades
Fonte: Autor.
Com essa redução houve um ganho de aproximadamente 1.100 minutos por mês de produtividade, que representa um montante de R$ 6.060,00 por mês, levando em consideração um valor aproximado de R$ 200,00 por tonelada produzida, gerando uma margem de R$ 72.720,00 por ano. 
5. CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS
O presente trabalho mostrou através dos dados apresentados a importância de um tratamento na água no sistema de resfriamento para a indústria Aço Cearense. Com o tratamento adequado é possível aumentar a vida útil dos equipamentos e tubulações evitando fenômenos de deposição, corrosão e incrustações, diminuindo as paradas nas máquinas para manutenções nos trocadores de calor, melhorando o desempenho da torre e dos trocadores de calor, com impacto direto na produtividade industrial.
As características físico-químicas da água de reposição também se mostraram fundamentais para seleção do tipo de tratamento químico e as abordagens necessárias em conjunto com a operação do sistema. 
O uso de telas nas venezianas da torre ajudou a reduzir e controlar o nível de proliferação microbiológica, assim como a limpeza e correto funcionamento dos equipamentos de troca térmica.
Como perspectivas para continuar aprimorando o sistema pode ser destacado a instalação de um filtro lateral em conjunto com uma tubulação do tipo “espinha de peixe” para reduzir a formação de lama e a necessidade de paradas para limpeza periódica no sistema. 
Outro importante item a ser considerado no acompanhamento do sistema é a instalação de uma ECP (estação de corpo de prova), que nos dirá precisamente a taxa de corrosão e deposição no sistema como uma importante ferramenta para estimar a própria vida útil do sistema.
Figura 29 - Filtro lateral para a torre de resfriamento
 
Fonte: Imagens google.
Figura 30 - Tubulação do tipo espinha de peixe
Fonte: Autor.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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