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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