Geradores_de_vapor_e_Trat._gua_Caldeira2012

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Geradores de vapor 
Definição de Caldeira 
É um equipamento de produção de 
vapor para ser empregado como 
utilidade quente em um processo 
químico ou para geração de 
energia elétrica 
 
Quando a água vaporiza na caldeira a expansão 
do vapor pressuriza o sistema. O vapor sai da 
caldeira à custa da sua própria pressão e é 
transportado para os diferentes pontos/etapas 
do processo, e as propriedades do vapor vão-se 
alterando. 
ESTRUTURA DE UMA CALDEIRA 
• Câmara de combustão ou fornalha, onde o combustível é 
queimado 
 
• Câmara de água, que contém a água a ser aquecida 
 
• Câmara de vapor, situada acima do nível d’água, que 
recebe o vapor formado 
 
• Paredes d’água, formadas por tubos que interligam as 
câmaras de água e vapor, sendo laterais, frontais, teto e 
piso, delimitando o espaço vazio denominado de câmara 
de combustão. É nessas paredes que ocorre a geração 
de vapor saturado 
 
A produção industrial de vapor é dominantemente 
constituída por um sistema fechado de 4 etapas. 
 
GERAÇÃO – o calor produzido na combustão aquece a água da 
caldeira 
DISTRIBUIÇÃO – transporte do vapor aos pontos de utilização 
TRANSFERÊNCIA DE CALOR – o uso qualquer que 
seja, é uma transferência de calor. À medida que transfere energia 
produz-se água condensada – Retenção de Condensados. 
RETORNO/RECIRCULAÇÃO DE CONDENSADOS – permite a 
reutilização parcial da energia térmica 
2,068 kPa 
170 ºC 
347 kPa 
148 ºC 
Vapor d’ água 
É produzido através do aquecimento de uma certa quantidade 
de água, em condições isobáricas, observando um gradativo 
aumento de temperatura até atingir o ponto de ebulição, que 
varia em função da pressão de trabalho. Neste contínuo 
aquecimento a água transforma-se em vapor . 
Nomenclatura dos vapores nas 
fábricas 
• Vapor Virgem 
 
• Vapor Servido 
Entalpia 
• Entalpia é o conteúdo energético global de um sistema, ou seja, a soma da energia 
química e da energia térmica. 
• É indicada por: H 
• Quando há uma reação no estado do sistema, a variação de entalpia (∆H) é 
determinada por: 
Onde: 
 
 
H1 – entalpia do sistema no seu estado inicial. 
H2 = entalpia do sistema no seu estado final. 
 
 
 
 
Estado inicial 
H1 
Estado final 
H2 
∆H = H2 – H1 
Entalpia 
• Quando a pressão e a temperatura forem as mesmas 
desde o estado inicial até o final, o calor da reação 
será a mediada do ∆H. 
 
Na reação exotérmica, temos H2 menor que H1, de 
modo que ∆H tem valor negativo. 
 
 
Exemplo 
Reagente Produto 
? kcal 
H2O(l) H2O (g) 
Estado inicial 
Temperatura: T 
Pressão: P 
Entalpia: H1 
Estado Final 
Temperatura: T 
Pressão: P 
Entalpia: H2 
Entalpia de vaporização ou calor de 
vaporização 
• É a quantidade de energia necessária para que 
um mol de uma substância que se encontra em 
equilíbrio com o seu próprio vapor, a pressão de 
uma atmosfera, passe completamente para o 
estado gasoso. 
• O calor de vaporização é expresso em kJ/mol, 
podendo ser expresso também em kJ/kg. 
 
Classificação dos vapores 
• Vapor Úmido 
 
 
• Vapor Saturado 
 
 
• Vapor Supersaturado 
Entalpia de vaporização 
200 
Temp. ºC 
150 
100 
50 
0 100 639 
A B 
C P = 760 mmHg 
hfg = 539 kcal/kg 
hf hg 
No ponto B, Vapor 
Saturado 
Entre A e B: Vapor Úmido 
Entre B e C, Vapor 
SuperSaturado 
As caldeiras são classificadas em 3 categorias: 
 
-Categoria A: São aquelas cuja pressão de operação é igual ou superior 
a 1960 kPa (19,98kgf/cm²); 
 
- Categoria C: São aquelas cuja pressão e operação é igual ou inferior a 
588 kPa (5,99 kgf/cm²) e o volume interno é igual ou inferior a 100 litros. 
 
- Categoria B: São todas as caldeiras que não se enquadram nas 
categorias anteriores. 
 
Todos os itens da norma devem ser verificados por um profissional 
habilitado. 
 
 
CLASSIFICAÇÃO DAS CALDEIRAS A VAPOR, SEGUNDO A NBR 13 
 
 
NR – 13 
• É a norma regulamentadora 13 do Ministério 
do Trabalho e Emprego do Brasil e tem como 
objetivo condicionar inspeção de segurança 
e operação de vasos de pressão e caldeiras. 
Foi criada em 8 de junho de 1978, sofrendo 
revisão em 8 de maio de 1984. 
 
Essa norma estabelece requisitos 
compulsórios relativos a projeto, operação, 
manutenção e inspeção de caldeiras e vasos 
de pressão. 
 Classificação das Caldeiras 
QUANTO À FONTE DE ENERGIA AUXILIAR 
 
CALDEIRA ELÉTRICA – usa energia elétrica e 
normalmente não é economicamente viável. Porém, 
é usada em locais onde outras formas de energia 
não estão disponíveis 
 
CALDEIRA A COMBUSTÍVEL 
– - Óleo combustível – queima óleo e gera vapor 
pela troca de calor com os gases de combustão 
 - Gás – queima gás, que pode ser gás natural ou 
uma corrente de gases oriunda do processo 
 - Sólidos – queima combustíveis sólidos 
 - Mista – queima mais de um combustível, às 
vezes simultaneamente 
 
Caldeiras elétricas 
• São equipamentos mais 
simples e, em média, mais baratos do que as caldeiras a combustão. 
 
 
• Sua eficiência não varia significativamente com a carga. 
 
• Elas não requerem muito espaço para a sua instalação. 
 
• A temperatura máxima em contato com este tipo de equipamento é 
a temperatura do vapor. 
 
• Elas não geram vapor superaquecido, apenas saturado e água quente 
 
• Também não poluem a atmosfera e tem baixo nível de ruído 
Caldeiras Elétricas 
Caldeiras a combustão 
• Flamotubular ou Fogotubular 
 
• Aquatubular ou Parede D'água 
 
Flamotubular ou Fogotubular 
• Trabalham com pressões e taxas de vaporização limitadas, 
• Pequenas produções de vapor 
 
Flamotubular ou Fogotubular 
Flamotubular ou Fogotubular 
Flamotubular ou Fogotubular 
O MODELO MAIS COMUM É CONSTITUÍDO DE UM CORPO CILÍNDRICO COM 
DOIS ESPELHOS FIXOS, NOS QUAIS OS TUBOS CONTIDOS NO SEU INTERIOR SÃO 
MANDRILADOS OU SOLDADOS. ESTES TUBOS INTERNOS SÃO UM TUBO CENTRAL 
DE FOGO, NORMALMENTE DE DIÂMETRO MAIOR QUE OS DEMAIS, QUE SE 
DISPÕEM EM DUAS OU MAIS PASSAGENS, POR ONDE FLUEM OS GASES. A 
ÁGUA, ENTRANDO NO CORPO CILÍNDRICO E ENVOLVENDO OS TUBOS, É 
AQUECIDA PELO FOGO E PELOS GASES QUE CIRCULAM NO INTERIOR DOS TUBOS, 
ATÉ A SUA VAPORIZAÇÃO 
 
 
Caldeira Aquotubular 
1. Produção de vapor, pelo aquecimento de 
água que circula no interior dos tubos. 
2. Produção de grandes quantidades de vapores 
3. Vapores em alta pressão e temperatura. 
 
 
 
Caldeira Aquotubular 
Caldeira Aquotubular 
Geração de energia elétrica 
PURGA DE CALDEIRAS = “BLOW-DOWN” 
A purga de caldeiras é um passo importante do tratamento de 
águas de caldeiras e tem como objectivo reduzir as impurezas 
da água que é utilizada na caldeira, quando existe 
recirculação. 
 
Excesso de purga >>> desperdício de energia; 
Deficit de purgas >>> promove incrustações. 
 
Não existem regras fixas, mas as taxas variam entre 1% e 25% 
da água de abastecimento da caldeira. 
 Classificação das Caldeiras a combustível 
QUANTO À TIRAGEM DE AR 
 
Caldeira de tiragem forçada – o ar de combustão é 
“soprado” mecanicamente para a queima de combustão 
do queimador. É o tipo mais comum 
Caldeira de tiragem induzida – os gases de combustão são 
“aspirados” mecanicamente para fora da câmara e o ar 
de combustão é aspirado pelo vácuo da câmara de 
combustão 
Caldeira de tiragem combinada ou balanceada – o ar de 
combustão é soprado e existe um outro ventilador que 
aspira os gases de combustão 
Caldeira a tiragem natural – os gases de combustão sãoaspirados pelo “efeito chaminé” 
 
T. 5831- Automação e Controle 
industrial 
 Caldeira de tiragem forçada 
T. 5831- Automação e Controle 
industrial 
 Caldeira de tiragem induzida 
T. 5831- Automação e Controle 
industrial 
Emissões de uma caldeira 
Água para uso industrial 
• Abrandamento 
• Troca iônica 
• Separação por membranas 
 
 
Problemas 
INCRUSTAÇÃO: 
 As principais incrustações provêm dos carbonatos de 
cálcio, magnésio, bicarbonatos, hidróxidos e sulfatos e 
dos mesmos metais. Cada um apresentando diferentes 
solubilidades em diferentes faixas de temperatura. 
Classificação das incrustações 
• Sólidos dissolvidos (Sais) 
• Ligeiramente solúveis 
• Altamente solúveis 
• Sólidos em suspensão (Areia, argila e matéria 
• orgânica) 
• Líquidos insolúveis (óleo, graxas e sabões) 
• Gases dissolvidos 
• Inertes (N2) 
• Agressivos (O2, CO2, SO2) 
• Decomposição de Material Orgânico (CH4) 
Incrustação em caldeira 
Conseqüências da incrustação 
 
A incrustação depositada nos tubos cria uma camada 
que interrompe ou reduz drasticamente a eficiência de 
troca de calor por ser isolante térmico. 
 
Ex.: 2,5mm de incrustação pode causar uma diferença de 10°C 
na superfície de troca térmica. Desta forma, gera-se dois 
 
tipos de problemas: 
 Aumento do consumo de combustível, 
 Aumento da quantidade de energia dentro do 
equipamento. 
Consequências da incrustação 
Com a incrustação há a possibilidade do 
comprometimento do metal que compõem as 
tubulações, causando fadigas e podendo chagar 
a fissuras ou quebras. 
 
Causando problemas na operação ou podendo 
causar uma explosão. 
Ações corretivas 
Lavagem química: ácido inibidor 
TRATAMENTO DA ÁGUA: 
 
• Externo: A água de alimentação é tratada 
antes de ser introduzida no equipamento. 
• Interno: As reações químicas de tratamento 
ocorrem no interior do equipamento com a 
adição de aditivos. 
• Combinado: Utilização dos dois métodos. 
Tratamento Externo 
• Filtros (areia, carvão, cerâmicos) 
• Correção de pH. (aditivos) 
• Desmineralizadores, 
• Degaseficadores. 
Filtros Industriais 
Troca-iônica 
Separação por membranas 
ABRANDAMENTO 
• Remove substâncias responsáveis pela dureza 
da água 
 
• água dura: presença de íons de cálcio e 
magnésio 
– Forma sabões insolúveis 
– Causa incrustação principalmente altas 
temperaturas 
 
Técnicas para o abrandamento da água 
• Processo de abrandamento pela cal 
(carbonato de sódio) 
 
• Processo por toca iônica 
 
• Processo por separação por membranas 
Faixa de 
dureza 
Tratamento x dureza 
• Abrandamento com cal: 
– Reduz concentrações de íons de cálcio e magnésio e o resultado é uma 
água com Dureza próxima de 80 mg/L (como CaCO3). É indicado para 
o tratamento de águas com dureza superior a 80 mg/L de CaCO3 
• Troca-iônica e Separação por membrana 
– para durezas menores que 80 mg/L de CaCO3. 
– Reduzem em até 100% a dureza d água 
 
Abrandamento com cal 
• É uma reação de precipitação química que visa 
transformar as espécies solúveis de cálcio 
magnésio em espécies insolúveis; 
• O processo se dá por adição de cal (CaO) e 
carbonato de sódio (Na2CO3). 
• A cal é utilizada para elevar o pH da água 
fornecendo a alcalinidade necessária; 
• O carbonato de sódio pode fornecer a 
alcalinidade para a reação e também os íons 
carbonato necessários. 
Reações de abrandamento 
Abrandamento com cal 
• Processo de separação de sólidos: coagulação, 
floculação, sedimentação e filtração 
 
• Estabilização de pH: pois o pH está próximo de 
11. 
– Utilizando ácidos, não forma carbonato de sódio; 
– Recarbonatação da água, formando carbonatos e 
bicarbonatos de cálcio 
 
• Filtração 
Reações envolvidas no processo de 
estabilização da água abrandada 
Vantagens do abrandamento com cal 
• Geralmente aplicado para águas com dureza 
elevada; 
• Possibilita remover da água contaminantes 
tais como metais pesados e outros 
• Tecnologia bem estabelecida. 
Desvantagens do 
abrandamento com cal 
• Utilização de produtos químicos; 
• Produção de lodo; 
• Necessidade de ajustes finais, pois a água 
abrandada ainda possui dureza-cálcio em 
torno de 30 ppm de CaCO3. 
Abrandamento por 
Troca-iônica 
• É um processo estequiométrico: para cada íon 
que é removido da solução, uma quantidade 
equivalente de outra espécie iônica com o 
mesmo tipo de carga, acaba por substituí-la. 
 
H 
H 
NH3 NH3 NH3 NH3 
NH3 
NH3 
NH3 
H H H 
H 
H 
H 
NH3 
Tipo de resina 
• Comportamento químico 
– Catiônica 
– Aniônica 
 
 
Troca-iônica para tratamento de água 
de caldeira 
 
Consiste em fazer a água atravessar uma resina 
catiônica que captura os íons Ca2+ e Mg2+, 
substituindo-os por íons que formarão 
compostos solúveis e não prejudiciais ao 
homem, tais como o Na+. As reações seguem 
abaixo. 
 
Captura dos íons de cálcio e magnésio 
Regeneração da resina 
Resinas de TI 
Tratamento por membranas 
 
È a utilização de membranas sintéticas, porosas 
ou semipermeáveis para separar da água 
partículas sólidas de pequenos diâmetros, 
moléculas e até mesmo compostos iônicos 
dissolvidos. 
 
OSMOSE 
MEMBRANA SEMI-PERMEÁVEL
(passagem do solvente)
SOLUÇÃO
DILUÍDA
SOLUÇÃO
CONCENTRADA
a) FLUXO OSMÓTICO
SOLUÇÃO
DILUÍDA
SOLUÇÃO
CONCENTRADA
b) EQUILIBRIO OSMÓTICO
PRESSÃO
OSMÓTICA 
SOLUÇÃO
DILUÍDA
SOLUÇÃO
CONCENTRADA
c) OSMOSE REVERSA
P
P > 
CONCEITOS BÁSICOS: 
OSMOSE REVERSA 
SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS 
Osmose reversa 
É uma técnica de alta eficiência para o 
processo de concentração, separação de 
substâncias de baixo peso molecular em 
solução, ou limpeza de efluentes. 
 
Tem a habilidade de concentrar todos os 
sólidos dissolvidos ou em suspensão. 
 
O permeado contém uma concentração muito 
baixa de sólidos dissolvidos. 
 
 Osmose reversa é tipicamente utilizada para 
desalinização de água marinha. 
SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS 
É utilizada quando a Osmose reversa e a 
Ultrafiltração não são as melhores escolhas 
para separação. 
 
Pode atuar nas aplicações de separação tais 
como: desmineralização, remoção de cores e 
desalinização. Em concentração de solutos 
orgânicos, sólidos em suspensão e íons 
polivalentes, o permeado contém íons 
monovalentes e soluções orgânicas de baixo 
peso molecular, tais como álcool 
NANOFILTRAÇÃO 
SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS 
É um processo de fracionamento seletivo 
utilizando pressões acima de 145 psi (10 
bar). 
É largamente utilizada em fracionamento de 
leite e soro de leite e no fracionamento 
protéico. 
 
Ela concentra sólidos suspensos e solutos de 
peso molecular maior do que 1.000. 
 
O permeado possui solutos orgânicos e sais 
de baixo peso molecular 
ULTRAFILTRAÇÃO 
SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS 
É um processo de separação por 
membranas de baixa pressão de 
partículas coloidais e em suspensão na 
faixa entre 0.05 - 10 microns. 
 
É utilizada para fermentação, clarificação 
de caldos e clarificação e recuperação de 
biomassa. 
MICROFILTRAÇÃO 
Unidade de Utilidades - COPESUL 
Água Sais
Moléculas 
de médio
 PM
Macromoléculas
Células, colóides, 
material em suspensão
P
P
P
P
Microfiltração
Nanofiltração
Ultrafiltração
Osmose Reversa
Técnica de SeparaçãoDimensões
(m)
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
10-10
Micro-
organismos
Macro-
moléculas
e Vírus
Moléculas de
médio PM
Moléculas debaixo PM
e Íons
Átomos
Unidade de Utilidades - COPESUL 
Staphilococus 
Bacteria (1 m)
H O
2
o
(2 A)
Sucrose
o
(10 A)
o
(70 A)
Hemoglobina
Influenza
virus(1000 A )o
Pseudonomas
diminuta (0,28 m)Na
+
o
(3,7 A)
Filtração
Convencional
Ultrafiltração
Microfiltração
1A
o
1000A
o
100 A
o
10A
o
100 m10m1m
Diâmetro de Poro
Osmose Inversa
Nanofiltração
Diâmetro de Poros de Membranas de MF, UF, NF e OI
O fluxo de água é tangencial ao meio filtrante. 
Fluxo Tangencial 
Permeado 
Alimentação Concentrado 
Membrana 
O meio filtrante é constantemente lavado pela corrente 
tangencial impedindo a sua saturação pela formação de 
uma torta. 
Osmose 
• Separação de soluções por uma membrana semi-permeável 
 
• Água de menor concentração migrará para de maior concentração 
 
• A pressão causada pela diferença de altura de coluna d’água é 
chamada pressão osmótica 
 
• Chama-se osmose reversa a operação de aplicar-se pressão na 
solução mais concentrada, obrigando a permear pela membrana. 
MEMBRANAS 
 São películas finas de polímeros orgânicos, que 
apresentam uma micro-porosidade a nível 
molecular retendo até vírus, fungos e bactérias. 
 
MONTAGEM 
• São montadas em camadas. 
 
• Entre duas folhas de membranas são colocados 
uma folha de material poroso que conduz o 
permeado até o duto central. As camadas são 
enroladas em espiral. 
 
• Para garantir o fluxo é colocado uma tela de 
material plástico entre as membranas. 
MEMBRNAS 
Processo 
Acetado de Celulose 
 
Custo baixo 
Maior tolerância ao 
cloro 
Taxas de rejeição 
mais baixas 
Exigem pressões mais 
elevadas 
 
 
 Poliamida 
 
Mais caras 
Menor tolerância ao cloro 
Taxas de rejeição mais altas 
Pressões de trabalho mais 
baixas 
Materiais de fabricação: 
Água de caldeira 
Água Potável 
Semi-condutores 
Indústria de bebidas 
Indústria farmacêutica 
Indústria química e petroquímica 
Usos do Sistema de Osmose Reversa 
Processo contínuo não precisa regenerar 
Custos operacionais menores 
Automação mais simples 
Efluentes não poluentes 
Utiliza produtos químico com menor 
frequência e em menores quantidades 
Trabalha melhor em altas vazões e altos 
teores de sais. 
Vantagens do Sistema de Osmose Reversa 
• Primeiro Estágio: 16 vasos de Pressão 
• Segundo Estágio: 8 vasos de Pressão 
Permeadores de Osmose Reversa 
 A OSMOSE REVERSA ELIMINA DA ÁGUA 
Íon Rejeição 
95/99% Cálcio 
94/99% Sódio 
95/99% Magnésio 
94/99% Chumbo 
97/99% Manganês 
97/99% Ferro 
97/99% Alumínio 
97/99% Cobre 
96/99% Mercúrio 
95/99% Radioatividade 
98/99% Pesticidas 
95/99% Prata 
97/99% Fosfato 
97/99% Sulfato 
95/99% Dureza Ca & Mg 
96/99% Estrôncio 
97/98% Cromo 
87/94% Brometo 
85/90% Silicato 
 A OSMOSE REVERSA ELIMINA DA ÁGUA 
92/97% Nitrato 
85/97% Amônia 
100 % Bactérias 
61/92% Borato 
67/95% Boro 
97/99% Cádmio 
97/99% Cloreto 
95/99% Cromato 
97/99% Níquel 
97/99% Arsênio 
92/97% Cianureto 
97/99% Sílica 
96/99% Fluoreto 
97/99% Zinco 
98/100% Orgânicos 
87/94% Potássio 
96/99% Bário 
95/99% Bicarbonato 
98/99% Ferrocianeto