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2ª edição

Utilidades

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Curso de Formaçãode Técnicos de Operação Jr

do Abastecimento

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UTILIDADES© 2008 Petrobras – Petróleo Brasileiro S.A.

Todos os direitos reservados

Petróleo Brasileiro S.A. - PETROBRASAvenida Chile, 65 – 20º andar – Ala Norte SALA 2001CEP: 20031-912 – Rio de Janeiro – RJ

Revisado e Atualizado por:FERNANDO POCHMANN DE MAGALHAESUN REDUCREDUC/ER

EDUARDO GOMES SANTOSUN REDUCREDUC/ER

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Page 3: Utilidades CC

SUM

ÍndiceINTRODUÇÃO 08(a) Energia elétrica 08(b) Água 09(c) Vapor 10(d) Ar comprimido 11

SISTEMAS ELÉTRICOS 12(a) Introdução 12(b) Subestação de recepção 12(c) Níveis de tensão 13(d) Transformador com comutador de tapes automático 13(e) Transformadores de medição 14(f) Transformadores de proteção 14(g) Chaves seccionadoras 15(h) Disjuntores de alta-tensão 15(i) Fontes Geradoras 16(j) Turbogeradores 17(l) Sistema de excitação 18(m) Formas de excitatriz 18(n) Barramentos distribuidores de carga 19(n.1) Descrição geral 19(n.2) Barra de sincronismo 19(n.3) Reatores da barra de sincronismo 19(n.4) Painel dos alimentadores de 13,8kV 20(n.5) Sincronismo 20(o) Fator de potência 23(o.1) Fundamentos teóricos 23(o.2) Conceito 24(p) Subestação de área 25(p.1) Descrição 25(p.2) Painéis de distribuição de carga 26(p.3) Primário seletivo 26(p.4) Secundário seletivo 27(p.5) Configuração “U” fechado 27(p.6) Configuração “U” aberto 27(p.7) Configuração “LA” ou “LB” 28(q) Sistema de corrente contínua 28

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Índice(q.1) Descrição 29(r) Sistema de UPS (inversores) 30(r.1) Descrição 30(s) Relés de proteção 31(s.1) Seletividade 32(s.2) Coordenação 32(s.3) Principais relés usados na proteção 32(t) Rejeição de carga 34(t.1) Introdução 34(t.2) Descarte elétrico 34(u) SCMD 35(u.1) Introdução 35(u.2) Objetivos do SCMD 35(u.3) Funções do SCMD 36(u.4) Diferenças entre SDCD e SCMD 36

SISTEMAS DE ÁGUAS 37(a) Captação 37(b) Impurezas da água e suas conseqüências 38(c) Tratamento geral da água 42(c.1) Clarificação 43(1.1) Impurezas 43(1.2) Coagulação e tipos de coagulantes 43(1.3) Floculação 43(1.4) Sedimentação 43(1.5) Funcionamento de um clarificador 44(1.6) Teste de jarro 46(c.2) Desinfecção 48(2.1) Processos físicos 49(2.2) Processos Químicos 49(2.2.1) Cloração 49(2.2.2) Fatores que influenciam na desinfecção 51(2.2.3) Influencia do pH na reação 51(2.2.4) Teoria do break-Point 51(2.2.5) Pré-cloração 52(2.2.6) Pós-cloração 52(c.3) Filtração 52(c.4) Água para fins industriais 54(4.1) Descloração 55(4.2) Desmineralização 55(4.3) Osmose reversa 60(4.4) Ultrafiltração 61(4.5) Reuso nas estações de tratamento de água 62(c.5) Tratamento de Efluentes Hídricos 65(5.1) Processos Físicos 66(5.2) Processos Biológicos 67(5.3) Reuso nas estações de tratamento de efluentes 69(5.4) Reflexão 70(d) Tratamento de água para caldeira 71(d.1) Desaeração e Tratamento de condensado 72

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Índice(tratamentos externos)(d.2) Tratamento Interno 73(d.3) Parâmetros de controle 74(d.4) Alimentação de produtos químicos 74(e) Tratamento de água de refrigeração 74(e.1) Sistemas abertos 75(e.2) Sistemas semi-abertos de recirculação 76(e.3) Sistemas fechados 76(e.4) Termos usuais em sistemas de refrigeração 76(e.5) Não conformidades na água de refrigeração 77(e.6)Objetivos dos tratamentos 83

SISTEMAS TÉRMICOS E DE AR COMPRIMIDO 89(a) Sistemas Térmicos 89(a.1) Vaporização da água 89(a.2) Propriedades do vapor d’água 90(a.3) Cuidados no manuseio do vapor 90(a.4) Distribuição do vapor 92(a.5) Condensado 98(a.6) Isolamento térmico 104(b)Ar comprimido 105(b.1) Ar comprimido para instrumentos 105(b.2) Ar comprimido de serviço 106

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 107

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FigurasSISTEMAS ELÉTRICOS

Figura 1 Diagrama geral 12Figura 2 Vista geral da subestação receptora 13

Figura 3 Vista do transformador de força 13

Figura 4 Vista do transformador de potencial 14Figura 5 Vista do transformador de corrente 14Figura 6 Vista da chave seccionadora 15Figura 7 Vista do disjuntor 15

Figura 8 Vista geral da turbina 16Figura 9 Vista da turbina de extração/condensação desmontada 16

Figura 10 Turbinas de alta pressão 17Figura 11 Diagrama simplif icado do sistema de excitação 19Figura 12 Seqüência de fases 20Figura 13 Ângulo de fases 21

Figura 14 Freqüência 21

Figura 15 Tensões 22Figura 16 Fator de potência 23Figura 17 Vista geral da subestação de processo 26

Figura 18 Primário seletivo 26Figura 19 Configuração “U” fechado 27Figura 20 Configuração “U” aberto 28Figura 21 Configuração “LA” ou “LB” 28Figura 22 Banco de baterias 29Figura 23 Esquema do banco de baterias 29Figura 24 Esquema do UPS 30Figura 25 Exemplo de tela do SCMD 35Figura 26 Arquitetura da rede do SCMD 36

SISTEMAS DE ÁGUAS

Figura 1 Esquema geral do tratamento da água em uma refinaria

42

Figura 2 Detalhe do desaerador 72Figura 3 Deposição de CaCO3 85

SISTEMAS TÉRMICOS E DE AR COMPRIMIDO

Figura 1 Vaporização da água 89Figura 2 Jato de vapor 90Figura 3 Balanço termelétrico – diagrama simplif icado 98Figura 4 Diagrama de bloco da central de ar comprimido 106

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Tabelas

SISTEMAS ELÉTRICOS

Tabela 1 Vantagens dos relés de proteção 31

SISTEMAS DE ÁGUAS

Tabela 1 As impurezas e suas conseqüências 39Tabela 2 Impureza versus tratamentos 40

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[Introdução:

(a ) Energi a El étrica

Energia é a propriedade que permite a um sistema realizar trabalho. A energia pode

assumir várias formas: potencial, mecânica, química, eletromagnética, elétrica, calorífica,

etc. Estas várias formas de energia podem ser transformadas umas nas outras.

A energia elétrica, ou eletricidade, é a designação dos fenômenos em que estão envolvidas

cargas elétricas. Ela pode ser gerada através de fontes renováveis de energia (a força das

águas e dos ventos, o sol e a biomassa), ou de fontes não renováveis de energia

(combustíveis fósseis e nucleares). No Brasil, onde é grande o número de rios, a opção

hidráulica é mais utilizada para geração de energia, sendo apenas uma pequena

parte gerada a partir de combustíveis fósseis ou em usinas termelétricas.

As partes principais de uma usina hidrelétrica são:

A barragem, que tem por função barrar o fluxo da água do rio, represando-

a;

As comportas e o vertedouro, que controlam o nível de água da represa,

evitando transbordamentos; e

A casa de máquinas, onde estão instalados os geradores acoplados às

turbinas.

Para transformar a força das águas em energia elétrica, a água represada passa por dutos

forçados, gira a turbina que, por estar interligada ao eixo do gerador, faz com que este

entre em movimento e gere a eletricidade.

No caso de uma usina termelétrica, temos uma combinação diferente. Temos um gerador

de vapor de alta pressão, onde é queimado o combustível para a produção do vapor. O jato

de vapor extraído da caldeira gira a turbina que, por estar interligada ao eixo do gerador, faz com

que este entre em movimento e gere a eletricidade.

Após ser gerada, a energia elétrica é conduzida por cabos até a subestação elevadora,

onde transformadores elevam o valor da tensão elétrica. Nesse nível maior de tensão, a

eletricidade pode percorrer longas distâncias pelas linhas de transmissão, sustentadas por torres,

até chegar nas proximidades de onde será consumida.

Antes disso, a energia elétrica precisa ser reduzida na subestação abaixadora através de

transformadores. Em seguida, ela percorre as linhas de distribuição, que podem ser subterrâneas

ou aéreas. Finalmente, a energia elétrica é transformada novamente para os padrões de consumo

local e chega às residências e a outros estabelecimentos.

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(b) Água

O aumento populacional e o desenvolvimento humano impõem uma necessidade cada

vez maior dos recursos hídricos. O controle e a posse dos corpos d’água geram

inúmeros conflitos, uma vez que a água limita o desenvolvimento sustentável em

função de ser um recurso natural, não-renovável e finito.

O uso irracional da água em quantidade superior ao volume disponível gera escassez,

principalmente porque a qualidade determina seu uso, em especial o abastecimento da

população. Por esse motivo, tem crescido a utilização de águas subterrâneas para uso

não residencial, na totalidade ou em conjunto com as águas superficiais.

Indubitavelmente, sem os recursos hídricos não existe vida e conseqüentemente da

água depende o desenvolvimento sócio-econômico de uma região. Ela está presente

em toda a biosfera, no solo, no ar e nos seres vivos. Presume-se que cerca de um

milhão e meio de Km3 no nosso planeta sejam formados por água, sendo que desse

total somente 3% são água doce, e 97% correspondem à água salgada. A distribuição

de água doce, por sua vez, dá-se na seguinte proporção: 77,2% formam as calotas

polares, 22,4% águas subterrâneas e somente 0,4% formam os rios e lagos.

Os rios, mares e oceanos não reconhecem fronteiras, e são fontes inesgotáveis de

vida. A água precisa ser entendida como bem finito e escasso, cuja disponibilidade

vem decaindo ao longo dos anos em função do descaso com a sua utilização racional.

A água é um bem público, devendo ser reconhecida a importância da proteção e

preservação de sua qualidade por toda a sociedade, que deve racionalizar o uso

evitando-se desperdícios. O instrumento público que habilita a utilização desses

recursos hídricos pelas indústrias chama-se “outorga”.

Os aumentos da população e do consumo confrontam com o fato de a quantidade de

água disponível ser limitada. A água doce está se tornando um recurso cada vez mais

escasso e valioso, especialmente pelo volume de resíduos nela lançados, provocando

aumento da poluição e dificultando cada vez mais sua reutilização. A conseqüência

direta é a oneração dos custos de produção das empresas, dos orçamentos

governamentais e comprometimento do bem estar da população. Vale ressaltar, que

em alguns casos indústrias limitam expansão e produção por falta de água. Em outros,

países investem cifras elevadíssimas em processos de dessalinização de água para a

produção de água potável. Os processos naturais não são suficientes para purificar a

água, havendo a necessidade de se tratar todos os efluentes líquidos, antes do

lançamento nos corpos de água receptores.

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E é nesse contexto que cresce a importância dos sistemas de tratamento de águas e

efluentes. Com o uso racional dos recursos hídricos, evitam-se desperdícios e

promove-se o reuso dos efluentes de processo. Busca-se o menor despejo possível,

atendendo-se aos padrões pré-determinados conforme a legislação ambiental –

registre-se, cada vez mais restritiva.

Abaixo, alguns exemplos de utilização de água na indústria petroquímica:

· Combate a incêndio – utiliza-se a própria água bruta (sem tratamento);

· Reposição dos circuitos de resfriamento (make up) – água bruta submetida à

pré-cloração e clarificação.

· Água industrial para processos e serviços – água bruta submetida à

pré-cloração, clarificação, filtração e correção de pH;

· Água potável – água bruta submetida à pré-cloração, clarificação, filtração,

pós-cloração e correção de pH;

· Água desmineralizada para reposição das caldeiras – água bruta submetida a

processos que visam reduzir os íons dissolvidos presentes na água.

(c) Vapor

Devido a sua grande disponibilidade e não toxidez, o vapor d’água é largamente utilizado

na indústria. O vapor tem calor específico (c) quase igual à metade do da água, o

dobro do ar e igual ao da amônia. Isto quer dizer que o calor específico do vapor é

relativamente alto, tendo por isso mais capacidade de armazenar energia térmica em

temperaturas praticáveis do que a maioria dos gases. Uma vez que a quantidade

de energia térmica (q) é:

q = m . c . t

Então, quanto maior o valor de (c) maior será (q).

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Os principais usos do vapor d’água na indústria são:

· Acionamento de bombas, turbogeradores, compressores, ventiladores, etc.;

· Aquecimento de produtos em tanques e linhas;

· Arraste em ejetores para produção de vácuo;

. Arraste em torres de fracionamento;

· Selagem;

· Refrigeração em equipamentos específicos;

· Segurança no abafamento de fogo nos fornos.

(d) Ar comprimido

O ar comprimido é uma das formas mais antigas que o homem conhece de

transmissão de energia para ampliar sua capacidade física. O reconhecimento da

existência física do ar bem como a sua utilização para o trabalho são comprovados

há milhares de anos.

Dos antigos gregos provém a expressão “pneuma”, que significa fôlego, vento ou,

filosoficamente, alma. Derivado da palavra “pneuma”, surgiu, entre outros, o

conceito de pneumática, que quer dizer “ciência que estuda o movimento e o

fenômeno dos gases”.

Embora a base da pneumática seja um dos mais antigos conhecimentos do homem

(há mais de 2000 anos), somente após o ano de 1950 ela realmente foi

introduzida na produção industrial. Hoje, o ar comprimido tornou-se indispensável

nos mais diferentes processos industriais. Nenhum outro auxiliar pode ser

empregado de forma tão simples e tão rentável para solucionar problemas de

automação. Por tudo isso, o ar comprimido é um dos elementos de vital

importância na operação de uma refinaria.

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[Sistemas elétricos

(a) Introdução

Em uma refinaria, o acionamento elétrico de equipamentos é utilizado em larga escala,

tendo em vista: (1) fatores econômicos, tais como balanço energético, custo e rendimento e

(2) fatores técnicos, tais como partida imediata e simplicidade de operação. Por questões

de continuidade operacional utilizamos também turbinas a vapor, que são equipamentos de

maior custo operacional e de manutenção.

O sistema elétrico de uma refinaria pode ser dividido nas seguintes áreas: (1)

recepção de energia da concessionária, (2) geração, (3) distribuição e (4)

monitoramento e controle.

Figura 1 – Diagrama geral

(b) Subestação de recepção

Uma instalação petroquímica abrange diversos processos, muitos dos quais de alta

complexidade, que devem ser mantidos continuamente. Evitamos, assim, a

degradação ou a perda de produto, o que levaria a prejuízos financeiros de alto

valor. Para mantermos este processo estável, necessitamos de fontes confiáveis de

energia e flexibilidade operacional. A recepção de energia da concessionária em

conjunto com a geração torna o sistema elétrico mais confiável e flexível.

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Figura 2 – Vista geral da subestação receptora

(c) Níveis de tensão

O recebimento de energia da concessionária normalmente é realizado em níveis de

tensão compreendidos entre 34,5kV e 230kV, enquanto a geração própria é em

13,8kV. Na subestação utilizam-se transformadores de força que rebaixam a tensão de

entrada para 13,8kV para que se possa trabalhar em paralelo.

(d) Transformador com comutador de tapes automático

Devido à flutuação de tensão existente na rede de entrada, os transformadores da

recepção são equipados com comutador de tape automático sob carga. Este termo indica

que a comutação dos tapes de entrada é realizada sem a necessidade da interrupção do

fornecimento de energia para carga. O comutador automático realiza a variação dos

tapes de entrada, para cima ou para baixo, de maneira que a relação de

transformação se mantenha inalterada, levando com isso à não mudança da tensão no

secundário do transformador.

Figura 3 – Vista do transformador de força

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Page 14: Utilidades CC

(e) Transformadores de medição

Para possibilitar a medição da energia elétrica consumida, temos que utilizar

equipamentos que rebaixem a tensão e a corrente para valores admissíveis aos

instrumentos de medição. Utilizamos os transformadores de potencial (TP), que reduzem a

tensão para 115V, e os transformadores de corrente (TC), que reduzem a corrente para

5A, através de relações de transformação (RT) apropriadas para a tensão e corrente de

entrada, de maneira que as variações de tensão e corrente ocorridas na rede são sentidas

pelos instrumentos de medição.

(f) Transformadores de proteção

Utilizamos os mesmos transformadores de potencial (TP) e os transformadores de corrente

(TC), usados na medição, diferindo apenas em alguns aspectos construtivos, que em

conjunto com os relés de proteção fazem a proteção do sistema de recepção.

Figura 4 – Vista do transformador de potencial

Figura 5 – Vista do transformador de corrente

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Page 15: Utilidades CC

(g) Chaves seccionadoras

Chaves seccionadoras são dispositivos utilizados para isolar um equipamento ou trecho da

rede em casos de indisponibilidade ou falha do equipamento. Deve ser manobrado sem

carga, ou seja, sem corrente, devido às suas características construtivas, que são de

baixa capacidade de interrupção da corrente que pode levar a danificar seus contatos.

Figura 6 – Vista da chave seccionadora

(h) Disjuntores de alta-tensão

São equipamentos construídos com altíssima capacidade de interrupção de corrente, pois

devem ter a capacidade de abertura com carga e também com correntes de falta (curto-

circuito). São utilizados tanto em situação de manobras operacionais quanto na

proteção do sistema em caso de falhas.

Figura 7 – Vista do disjuntor

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Page 16: Utilidades CC

(i) Fontes geradoras

Nas centrais termelétricas, no acionamento de geradores de energia elétrica utilizamos

turbinas de grande porte. Essas turbinas, dependendo do tipo, têm controle de rotação e

também controle de pressão ou contrapressão. Quando se trata de turbina de

condensação, isto é, aquelas em que todo o vapor consumido é condensado no

condensador a uma pressão abaixo da atmosférica (vácuo), o controle é feito

praticamente só na rotação.

Nas centrais elétricas das refinarias, e das indústrias em geral, é comum o

emprego de turbinas do tipo extração ou contrapressão e a combinação dos dois

tipos em uma máquina (extração/condensação). Isto se deve ao fato de se ter

necessidade de vapor saturado para aquecimento na área industrial e vapor de média

para acionadores menores.

Normalmente o sistema elétrico é composto por mais de uma unidade geradora de

energia para melhor confiabilidade e flexibilidade operacional. Outro fator importante

na escolha da referida quantidade é a demanda de energia da instalação.

Figura 8 – Vista geral da turbina

Figura 9 – Vista da turbina de extração/condensação desmontada

(j) Turbogeradores PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008

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Turbogerador é o nome dado ao gerador de corrente alternada que é impulsionado por uma

turbina a vapor de alta pressão. Essas turbinas são equipamentos complexos dotados de

mecanismos de controle e proteção, tais como o governador de rotação e o sistema de óleo

de lubrificação. As turbinas de alta pressão normalmente utilizadas são as de regime

de condensação/extração e as de contrapressão.

O governador da turbina tem duas funções: (1) controlar a velocidade da turbina quando o

conjunto está operando em vazio ou independente e (2) controlar a carga ativa (kW)

quando o conjunto está operando em paralelo com outra fonte.

Figura 10 – Turbinas de alta pressão

Características

O gerador é construído para operações em lugares cuja altitude máxima seja 1.000m

e temperatura ambiente até 40ºC. Deverá operar em ambiente totalmente fechado e

protegido contra intempéries.

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Page 18: Utilidades CC

Cada gerador possui a carcaça hermeticamente fechada, possuindo ventilação própria,

com resfriador de ar acoplado ao gerador. O rotor do gerador está acoplado

diretamente ao eixo da turbina. As características elétricas dos geradores são as

seguintes:

.Gerador trifásico (3 fases) de fechamento em estrela aterrado. Rotor com

velocidade nominal de 3 600rpm e dois pólos. Freqüência nominal de

60Hz, tensão nominal de 13 800V e corrente máxima de estator de

838A.

Capacidade máxima expressa em kVA indica a potência aparente

máxima que a máquina suporta.

Capacidade nominal expressa em kW indica a potência máxima

efetivamente à carga.

Fator de potência igual a 0,8.

(l) Sistema de excitação

Para gerarmos uma tensão nos bornes da máquina é necessário criar um campo

magnético no rotor que cortará as bobinas do estator, gerando assim uma corrente

alternada. Para criarmos esse campo magnético no rotor, conectamos este através

de anéis coletores a uma fonte de corrente contínua. O sistema de excitação se

comporta de duas formas, dependendo da maneira em que opera a máquina:

· Controlar a tensão do gerador quando este está operando em vazio ou

independente;

· Controlar a carga reativa (kVAr) quando a máquina está operando em

paralelo com outra.

(m) Formas de excitatriz

· Gerador de corrente contínua, acoplado ao eixo do gerador;

· Gerador de corrente alternada com campo no estator, instalado internamente

à máquina;

· Excitatriz estática;

· Com fonte externa auxiliar;

· Alimentada pelo próprio gerador. Neste caso, o consumo desta excitatriz é

de aproximadamente 3% da carga da máquina, e necessita de excitação

inicial.

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Figura 11 – Diagrama simplificado do sistema de excitação

(n) Barramentos distribuidores de carga

(n.1) Descrição geral

As instalações industriais têm, normalmente, mais de uma fonte geradora e ainda recebem

energia da concessionária através da subestação receptora. Para interligar todas estas

fontes, utilizamos as chamadas “barras” em conjunto com a “barra de sincronismo”, que

é um barramento por onde fluirá a energia. A finalidade dos barramentos é receber a energia

gerada pelos turbogeradores e distribuí-la para os consumidores (unidades de processo,

por exemplo) através de cabos alimentadores trifásicos, em 13,8kV, até as subestações

distribuidoras.

(n.2) Barra de sincronismo

A função desta barra é o sincronismo entre as fontes e transferência de carga entre as diversas

barras, possibilitando assim uma maior flexibilidade operacional e elevação da confiabilidade do

sistema.

(n.3) Reatores da barra de sincronismo

Quando temos duas ou mais fontes geradoras em paralelo, se há uma falha muito próxima

das fontes (por exemplo, um curto-circuito na barra do gerador 1), a corrente de curto

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na barra de 13,8kV atingiria valores altíssimos devido a impedância do sistema ser próxima de

zero. Isto seria muito prejudicial para os equipamentos e para a atuação das proteções. Os

reatores têm a função de limitar esta corrente, diminuindo as perturbações e danos ao

sistema.

(n.4) Painel dos alimentadores de 13,8kV

Para uma maior confiabilidade operacional, existe um painel onde os disjuntores de 13,8kV

– que recebem energia das barras – alimentam as subestações de área através de

cabos elétricos trifásicos subterrâneos. É nas subestações de área que a tensão é

rebaixada a níveis compatíveis com os consumidores. Este arranjo se faz necessário para

tornar o sistema operacionalmente seguro, economicamente viável e tecnicamente correto.

(n.5) Sincronismo

Quando um gerador de energia roda a vazio (sem fornecer carga), para conectá-lo

a um barramento de energia onde um outro gerador já está fornecendo energia

necessitamos seguir alguns parâmetros para colocar este gerador em paralelo, ou

seja, em sincronismo com a outra fonte.

Para colocar um gerador em sincronismo com outro, teremos que verificar:

Seqüência de fases – A primeira vez que se sincroniza um gerador trifásico é

necessário verificar se as três fases estão na mesma seqüência de fase, senão um

gerador se constituirá em um curto-circuito para o outro. Este requisito é definido

na montagem da máquina.

Figura 12 – Seqüência de fases

Ângulo de fases – Ela existirá se as ondas de corrente alternada dos dois geradores

alcançarem seus valores máximos, mínimos e nulos ao mesmo tempo. Normalmente

os relés de sincronismo bloqueiam o fechamento do paralelo se o ângulo de fase

exceder a faixa de +5° e –5°.

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Figura 13 – Ângulo de fases

Freqüência – As freqüências devem estar próximas para evitar o curto-circuito. O relé de

sincronismo está ajustado para uma faixa de 59,8Hz a 60,2Hz. Normalmente quando

colocamos uma máquina em sincronismo com outra, deixamos a máquina que entrará em

paralelo com uma freqüência um pouco maior, para que ela entre no barramento

assumindo carga, evitando, assim, a atuação da proteção de reversão de carga (32G).

Figura 14 – Freqüência

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Tensão – As tensões devem ser iguais. O que equivale dizer que as amplitudes das ondas

de corrente alternada nos seus picos positivos e negativos devem ter o mesmo valor.

Diferenças de tensão muito grandes contribuem para uma transferência de energia reativa

elevada entre as máquinas, o que é prejudicial para elas. O relé de sincronismo está

ajustado para a faixa de - 414V até + 414V da tensão nominal de 13 800V. Normalmente

quando colocamos uma máquina em sincronismo com outra, deixamos a máquina que

entrará em paralelo com uma tensão um pouco maior, para que ela entre no

barramento assumindo cargas reativas, evitando, assim, a sua desestabilidade.

Figura 15 – Tensões

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Page 23: Utilidades CC

(o) Fator de potência

(o.1) Fundamentos teóricos

Há dois tipos de potência em jogo num sistema: (1) a potência ativa e (2) a

potência reativa. A soma vetorial destas potências dá a potência aparente. Mas o que isto

significa?

O conceito físico pode ser explicado a seguir. Um equipamento que transforme a energia

elétrica diretamente em outra forma de energia útil (térmica, luminosa, etc.), sem

necessitar de energia intermediária na transformação, é um consumidor de energia ativa (por

exemplo, a lâmpada incandescente ou o ferro elétrico). Um equipamento que necessite de

parte da energia para criar um campo magnético para realizar trabalho é um

consumidor de energia ativa e reativa (por exemplo, motores, transformadores e

reatores).

A energia reativa é uma energia trocada entre o gerador e o receptor, não sendo

propriamente consumida como o é a energia ativa.

Vetorialmente, representamos a energia reativa defasada de 90° em relação à energia

ativa. Isso significa que atingem os máximos e mínimos, 90° elétricos em defasagem. Por

convenção, se o receptor consome energia reativa (indutivo), diz-se que esta está 90°

atrasada em relação à energia ativa. Se o receptor fornece energia reativa (capacitivo),

está 90º avançada em relação à mesma. Temos então as representações:

Figura 16 – Fator de potência

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Page 24: Utilidades CC

(o.2) Conceito

Por definição, fator de potência é o coseno do ângulo de defasagem entre a corrente

e a tensão.

Se o circuito for indutivo – consumidor de energia reativa, – o fator de potência é

dito em atraso.

Se for capacitivo – fornecedor de energia reativa –, é dito em avanço.

Se a potência é o produto da tensão pela corrente, temos, através do triângulo das

potências, o seguinte:

Potência aparente (S)² = Potência ativa (P)² x Potência reativa (Q)², logo:

Cos = cateto adjacente / hipotenusa

P = S x Cos ==> P = E x I x Cos

Deduzimos através do triângulo de potências que quanto menor for a potência reativa do

circuito, mais próximo de 1 será o fator de potência (FP).

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Page 25: Utilidades CC

O fator de potência foi sempre motivo de preocupação dos engenheiros encarregados do

projeto e estudo dos sistemas elétricos. O baixo fator de potência causa sérios problemas às

instalações elétricas, entre os quais podemos citar: sobre- carga nos cabos e

transformadores, crescimento da queda de tensão, redução do nível de iluminação e

aumento das contas de energia.

Causa principal do baixo fator de potência:

· Motores de indução subcarregados.

De uma maneira geral, todo equipamento que possui enrolamentos, tais como

transformadores, reatores, motores, etc., exige potência reativa da rede; daí

podermos citar como outras causas do baixo fator de potência:

· Instalações de lâmpadas fluorescentes;

· Retificadores:

· Equipamentos eletrônicos;

· Instalações de ar-condicionado, etc.

Objetivos principais da melhoria do fator de potência:

· Redução dos custos da energia;

· Liberação de capacidade do sistema;

· Crescimento do nível de tensão, por diminuição das quedas;

· Redução das perdas do sistema.

Os métodos mais usados na melhoria do fator de potência são:

· Instalação dos bancos de capacitores e

· Motores síncronos superexcitados.

(p) Subestação de área

(p.1) Descrição

Uma refinaria de petróleo é uma instalação industrial que abrange uma grande área e

diversas instalações distintas que estão normalmente a distâncias consideráveis. Para que

possamos mandar a energia gerada na central termelétrica até estas unidades, usamos os

ramais alimentadores que chegam em subestações de área. Estas subestações são

responsáveis pelo rebaixamento da tensão para níveis compatíveis com os equipamentos

(por exemplo: motores de 2,4kV). Podemos encontrar tensões de 4 160V, 2 400V e 480V

para alimentação de acionadores de 220V e 127V para tensões auxiliares.

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Page 26: Utilidades CC

Figura 17 – Vista geral da subestação de processo

(p.2) Painéis de distribuição de carga

Normalmente as unidades são alimentadas por dupla alimentação radial. Isto significa

que a subestação é alimentada radialmente mediante dois alimentadores distintos para

aumentar a continuidade operacional e melhorar a flexibilidade. A expressão “radial”

designa que o alimentador é conectado à fonte de energia em apenas um ponto, não

havendo fechamento em “anel”. De acordo com a configuração, podemos denominá-las de

primário seletivo ou secundário seletivo.

(p.3) Primário seletivo

Chama-se de primário seletivo quando a escolha de qual alimentador será utilizado para

alimentar as cargas se faz na entrada da subestação (nível de 13,8kV). Esta configuração é

utilizada em subestações que alimentam cargas menos prioritárias, uma vez que, em

caso de falha no alimentador, teremos a interrupção de energia para o consumidor durante

um tempo considerado. É usado, por exemplo, nos setores administrativos e de

manutenção.

Figura 18 – Primário seletivo

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Page 27: Utilidades CC

(p.4) Secundário seletivo

Chama-se de secundário seletivo quando a escolha de qual alimentador será utilizado

se faz no próprio painel de carga. Esta configuração é utilizada em subestações que

alimentam cargas prioritárias, uma vez que, em caso de falta de um alimentador, não

teremos interrupção no fornecimento de energia para os consumidores de painéis que

trabalham em “U” fechado, e um tempo muito curto para aqueles que trabalham em

“U” aberto. O secundário seletivo é usado, por exemplo, nas unidades de processo e

utilidades.

(p.5) Configuração “U” fechado

Em subestações de secundário seletivo, como vimos, teremos dois ramais

alimentadores por painel distribuidor de carga; logo, teremos no painel um disjuntor para

cada lado e um disjuntor de interligação. Para painéis de média tensão (2,4kV) que

alimentam cargas críticas, adotamos a configuração dos 3 disjuntores fechados, elevando,

assim, a continuidade operacional em caso de abertura de um alimentador.

Figura 19 – Configuração “U” fechado

(p.6) Configuração “U” aberto

Para painéis de 480V, por questões de proteção e para limitar a corrente de curto-

circuito, e para painéis menos críticos, o disjuntor de interligação opera na posição aberto,

que caracteriza a configuração em “U” aberto. Em caso de abertura de um alimentador

através da atuação de relés de proteção, ocorrerá o fechamento da interligação

automaticamente. Infelizmente o intervalo de segundos durante o qual há interrupção de

energia a um barramento é suficiente para que ocorra o desarme dos contatores, e,

portanto, o desarme dos mesmos.

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Page 28: Utilidades CC

Figura 20 – Configuração “U” aberto

(p.7) Configuração “LA” ou “LB”

Em caso de indisponibilidade de um dos alimentadores que chegam até o painel, este

ficará na configuração “L”, que indica que as cargas estão sendo alimentadas somente

por um alimentador.

Figura 21 – Configuração “LA” ou “LB”

(q) Sistema de corrente contínua

A corrente contínua é de vital importância numa instalação industrial porque pode ser

armazenada em bancos de baterias. Este é o fator preponderante para ser usada na

alimentação de relés de proteção e como tensão de comando de disjuntores de painéis e

grandes máquinas. Uma função importante é a iluminação de emergência em caso da falta

da alimentação em corrente alternada.

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Page 29: Utilidades CC

(q.1) Descrição

O sistema de corrente contínua é composto de um carregador de baterias e de um banco

de baterias, normalmente em 120V. O carregador tem como função receber a tensão em

corrente alternada, retificar esta corrente e simultaneamente manter em regime de

flutuação o banco de baterias e alimentar todos os sistemas de proteção e comando.

Na falta de corrente alternada, o suprimento de energia será através dos bancos de

baterias, ficando assim protegido o sistema e operacionalmente normal.

Figura 22 – Banco de baterias

Figura 23 – Esquema do banco de baterias

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Page 30: Utilidades CC

(r) Sistema de UPS (inversores)

Para sistemas críticos que não possam ser alimentados em corrente contínua por causa das

características dos circuitos eletrônicos envolvidos (por exemplo, detectores de chamas

dos queimadores dos geradores de vapor de alta pressão e hardware de controle e

supervisão de máquinas críticas e compressores de ar nas centrais termelétricas),

utilizamos sistemas chamados de “sistemas ininterruptos de força (Uninterrupted

power systems - UPS)”, que são inversores de corrente que, mesmo na falta da

alimentação principal, garantem o fornecimento para o equipamento.

(r.1) Descrição

Os UPS são constituídos basicamente de um retificador de corrente, um carregador

de baterias, um banco de baterias e um inversor de corrente. O funcionamento do

sistema pode ser compreendido assim. Um carregador de baterias alimenta um

inversor de corrente que converte C.C. em C.A. e mantém um banco de baterias

em flutuação. O inversor, por sua vez, alimentará as cargas críticas em C.A. Em

caso de falta de suprimento de C.A., o inversor ficará alimentado pelo banco de

baterias, não interrompendo o suprimento para a carga. Em caso de esgotamento das

baterias ou pane no inversor há uma chave estática de alta velocidade de comutação

que passa a alimentação da carga para uma outra fonte de corrente alternada

sem interrupção do suprimento. Utilizamos o by-pass de manutenção na liberação

geral dos UPS.

Figura 24 – Esquema dos UPS

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 31: Utilidades CC

(s) Relés de proteção

Em um sistema elétrico industrial podem ocorrer várias falhas como, por exemplo,

curto-circuito, sobrecargas e reversão de cargas. Para que, numa eventual falha,

possamos minimizar os efeitos desse evento e resguardar o restante do sistema,

dotamos este sistema de relés de proteção.

Algumas falhas podem ter efeitos destrutivos enormes, levando a grandes prejuízos

e indisponibilidade do sistema por longos períodos. A principal função dos relés de

proteção é detectar a falha e fazer o desligamento do sistema defeituoso o mais

rapidamente possível.

Com um conjunto de proteções que constitui uma parcela bem pequena, tanto em grandeza

física como em valor monetário (1% do investimento total do sistema elétrico), podemos

manter a continuidade operacional: um mínimo de interrupções combinado à redução

das avarias dos equipamentos elétricos.

Um esquema de proteção deve envolver os equipamentos e as cargas alimentadas

pelo sistema, tais como motores, transformadores, painéis, etc. Desenvolveu-se, por

este motivo, uma técnica especializada que seleciona, coordena, ajusta e aplica os

vários equipamentos e dispositivos protetores a um sistema elétrico. O

desenvolvimento e a aplicação dos elementos de proteção vêm se fazendo sentir mais

e mais importantes dentro do campo da engenharia elétrica moderna. A Tabela 1

mostra uma lista de vantagens objetivadas em tal desenvolvimento e aplicação:

Tabela 1 – Vantagens dos relés de proteção

Vantagens Materiais Vantagens Operacionais

Menor dano no equipamento Redução de interrupções

Menor custo de reparos Menores perdas de sincronismo

Menor tempo nos serviços de reparação Redução das oscilações

Menor estrago de produtos Redução de interferências

Menor dano pessoal Redução de manobras

Economia de peças sobressalentes Comodidade de operação

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Page 32: Utilidades CC

(s.1) Seletividade

As proteções devem atuar seletivamente no sistema, isto é, somente o equipamento

faltoso deve ser removido de modo a cessar a falta. Os relés devem atuar com alta

velocidade.

(s.2) Coordenação

As proteções só devem retirar de operação uma porção maior do circuito se houver

falha na atuação da proteção do equipamento.

(s.3) Principais relés usados na proteção

Relé 50GS – Falha à terra

Em geral os relés de sobrecorrente de terra são calibrados para uma corrente de

acionamento muito menor do que a dos relés de fase. A corrente de curto-circuito para a

terra circulando no sistema poderá ser detectada por um relé de sobrecorrente ligado

ao circuito residual de três TCs ou no secundário de um transformador de núcleo em

janela, através do qual passam os três condutores de fase. O último arranjo denominado

ground-sensor é mais rápido e sensível do que o primeiro, pois não está sujeito aos

erros dos transformadores de corrente e, portanto, é idealmente adaptado à

proteção de circuitos alimentadores.

Relé 50/51 – Sobrecorrente

Os relés de sobrecorrente operam quando a corrente que circula em suas bobinas

ultrapassa um determinado valor, sendo a operação destes relés independente da

direção desta corrente. São em geral de ação retardada, do tipo de indução, podendo,

contudo, conter um elemento de disparo, de ação instantânea, tipo “armadura axial” ou

“armadura em charneira”.

Relé 67 – Direcional de corrente

Entre relés só permitem a passagem da corrente em um só sentido, admitindo-se,

em geral, que esta corrente deva exceder a um valor predeterminado. Aquele

“sentido” é controlado eletricamente por meio de uma polarização, em outras

palavras, por meio de um elemento wattmétrico, que é inerentemente direcional;

com este elemento consegue-se bloquear o circuito de operação quando a

corrente da linha tem um sentido prefixado. O tipo construtivo destes relés

assemelha-se ao de sobrecorrente, com disco de indução, acrescido, todavia, de

um elemento wattmétrico para a polarização, do tipo tambor de indução. A unidade

wattmétrica conduz um contato que abre ou fecha o circuito da bobina de corrente

do outro elemento.

Relé 87 – Diferencial de correntePETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008

Quali f icAbastQual i f icAbast32

Page 33: Utilidades CC

O esquema de proteção diferencial consiste, em linhas gerais, de dois jogos de

transformadores de corrente que comparam as correntes que entram e saem numa

dada parte do sistema. Se estas correntes forem iguais na mesma tensão básica, indicando

uma operação normal, não passa nenhuma corrente na bobina de operação do relé. Se,

porém, houver um curto-circuito, dentro da área abrangida pelos transformadores de

corrente haverá um desequilíbrio das correntes acima mencionadas e a sua diferença

passará na bobina de operação do relé, motivando o seu funcionamento. Utilizado

principalmente na proteção de geradores, transformadores de grande potência e

barramentos devido ao seu custo elevado.

Relé 32 – Direcional de potência

Função que se diferencia do relé direcional de corrente, na grandeza “vista” pelo relé, que

em vez da corrente passa a ser a potência. Há no caso atual a participação conjunta da

tensão com a corrente. Esta função se aplica muito na proteção de grupos geradores que

não podem receber “energia de volta”, pois isso poderia acarretar um distúrbio

mecânico na máquina motriz. Usa-se muito para esta função o relé de tambor de indução,

que dá à característica direcional um tempo ultra-rápido.

Relé 27 – Subtensão

Este relé é do tipo disco de indução, com característica de tempo inverso. Ele é

construtivamente idêntico ao de sobrecorrente, diferindo apenas na ação antagônica

da mola, que é em sentido inverso. Este relé é projetado para operar quando a

tensão da linha baixar a um certo valor, que geralmente é quando ela atinge 80%

do valor nominal.

Relé 40 – Perda de campo

É um relé tipo atração em charneira. Em situação normal, a bobina permanece energizada

pela corrente de campo do alternador, que ao sofrer um decréscimo por uma falta qualquer

no sistema de excitação provocará a desenergização da bobina.

Relé 60 – Balanço de tensão

Este relé compõe-se de uma unidade do tipo tambor de indução e é projetado para operar

quando existir desequilíbrio de tensões entre um gerador ou transformador e o barramento.

Relé 51V – Sobrecorrente com restrição de corrente

É um relé acionado pela corrente do circuito (bobina de corrente), mas cuja ação está

restringida pela própria tensão do circuito (bobina de potencial). Isto é feito para que um

curto-circuito fique mais bem caracterizado, já que este provoca, além da corrente

altíssima, um abaixamento apreciável da tensão da rede. Com tal queda, a ação de

restrição da bobina de potencial cai, tornando-se mais efetiva e rápida a ação motora da

bobina de corrente. Utilizado na proteção dos geradores.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 34: Utilidades CC

Relé 81 – Freqüência

O relé de freqüência é muito empregado para desligar parte da carga por motivo de perda

de unidades geradoras. Considere-se um circuito de dois braços em paralelo, cada um

deles constituindo um circuito de ressonância-série, de modo que a repartição das

correntes depende da freqüência do circuito; o elemento móvel do relé está equilibrado

para uma determinada freqüência, e tenderá para um lado ou para outro conforme

aumente ou diminua a freqüência. Obedece, na realidade, ao tipo construtivo do relé

eletrodinâmico, seguindo a mesma construção dos indicadores de freqüência, os

freqüenciômetros.

(t) Rejeição de carga

(t.1) Introdução

Em um sistema em que geradores operam em paralelo, a queda de alguma das

máquinas acarretará um aumento do consumo de energia. Esse consumo poderá vir

a ser maior que a produção. Esta situação funciona como um freio para os demais

geradores, fazendo com que a freqüência do sistema tenda a cair, o que é

prejudicial para os consumidores. Para compatibilizar o consumo com a produção, o

sistema de rejeição de carga desliga parte dos consumidores.

(t.2) Descarte elétrico

É um sistema desenvolvido de modo a assegurar a disponibilidade de energia elétrica

para sistemas essenciais e cargas mais críticas dentro do processo da refinaria. Isto é

realizado descartando-se cargas não essenciais para o processo, ou parte do sistema

elétrico da refinaria. Uma falha dentro do sistema elétrico pode ser causada pela abertura

da linha da concessionária de energia elétrica, pela perda da capacidade de geração, ou

quando parte do sistema elétrico é desligado do fornecimento da concessionária. O

sistema de descarte elétrico deve estar preparado para ser capaz de enfrentar as condições

acima mencionadas.

Outro requisito que o sistema de descarte elétrico deve desempenhar, mas que tem uma

baixa prioridade, é o fato de que esse descarte deve provocar mínimas perturbações

no processo de produção. O objetivo é descartar somente a soma da potência realmente

necessária com a menor prioridade possível.

O sistema de descarte elétrico do SCMD difere do sistema de descarte existente, é

baseado no descarte por subfreqüência, e é um sistema de retaguarda para o

sistema primário de descarte do SCMD. O sistema primário de descarte do SCMD

calcula continuamente o balanço da potência dentro do sistema elétrico por

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Page 35: Utilidades CC

subtração da carga elétrica consumida da potência elétrica disponível para geração.

Quando é diagnosticada uma falha, o sistema de descarte inicia a operação

descartando o excesso do consumo da carga elétrica e estabilizando a operação

dos geradores ou o consumo da concessionária.

(u) SCMD

(u.1) Introdução

O sistema de controle e monitoração distribuído (SCMD) é um conjunto de hardware

(HW) e software (SW), que são conectados aos equipamentos da área elétrica (motores,

geradores, transformadores, disjuntores, etc.), que se comunica entre si e com as estações

de operação (IHM) através de uma via de comunicação de dados (VCD).

Figura 25 – Exemplo de tela do SCMD

(u.2) Objetivos do SCMD

Controlar e monitorar a geração, o recebimento e a distribuição de energia elétrica, de forma integrada e centralizada;

Otimizar a produção e compra de energia elétrica;

Aumento da confiabilidade no suprimento de energia elétrica (fator operacional);

Melhorar a análise de ocorrências anormais.

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Page 36: Utilidades CC

(u.3) Funções do SCMD

Supervisão:

Alarme e registro seqüencial de eventos;

Medição analógica;

Gráfico de tendências;

Monitoração do estado de equipamentos de manobra.

Controle:

Comando dos equipamentos de manobra;

Manobras programadas;

Descarte de cargas elétricas e reaceleração de motores;

Descarte térmico;

Interface com o SDCD.

Controle de geração e recebimento – demanda, fator de potência, potência ativa e

reativa, freqüência, tensão e sincronismo.

(u.4) Diferenças entre SDCD e SCMD

Malha de controle amplas que são distribuídas por toda a refinaria;

Tráfego na via de comunicação de dados – informações do tipo IMM e IHM;

Rede de comunicação mais robusta – existem picos no tráfego de informação;

Tempos envolvidos muito pequenos (I/O);

Ciclicidade dos programas mais alta;

Variação de carga da CPU.

Figura 26 – Arquitetura da rede do SCMD

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Page 37: Utilidades CC

[Sistemas de águas

(a ) Captação

As refinarias captam água diretamente de rios ou através de barragens. O

posicionamento da sua captação é de grande importância, pois facilita o

tratamento da água, reduzindo o custo de implantação das estações de tratamento e

o tratamento propriamente dito. Através de uma captação adequada, evitamos a

presença de despejos industriais, turbidez excessiva, alteração de vazão,

resíduos sólidos, assoreamento, inundações e outros problemas.

Do ponto de captação o fluxo é bombeado através de uma estação elevatória

(“subestação” e “casa de bombas”) até uma torre de recalque, um lago ou

mesmo um tanque. Estes cumprem a finalidade de proporcionar uma pressão de

coluna adequada na descarga das bombas, além de assegurar um regime de

bombeio estável e um nível suficiente para o deslocamento gravitacional do fluxo

até a refinaria.

Neste percurso até a refinaria, através de uma adutora, há a necessidade de

uma “torre de equilíbrio”, que funciona como uma espécie de pulmão da

adutora. A torre de equilíbrio absorve os golpes de aríete e as entradas de ar

decorrentes das variações e interrupções de fluxo. Em algumas refinarias a torre de

equilíbrio é substituída por válvulas, próprias para este fim. Nos pontos altos, há

a necessidade de válvulas ventosas que controlam a entrada e a saída de ar na

tubulação. As válvulas ventosas permanecem abertas enquanto existir ar no

interior da tubulação e fecham com a chegada de água, após a expulsão do ar.

Se houver drenagem da água do interior da tubulação as válvulas ventosas

evitam a formação de vácuo, permitindo,assim, a entrada de ar.

Os efeitos de dilatação da adutora são absorvidos pela instalação de juntas

dresser ou juntas sanfonadas. As juntas dresser consistem de um tubo

encaixado dentro de outro tubo, devidamente vedado com gaxetas especiais. Na

estação elevatória, as paradas das bombas exigem cuidados especiais.

A interrupção abrupta do bombeio – decorrente de queda de energia ou outras

eventualidades – pode gerar um retorno de fluxo de várias toneladas, (transiente

hidráulico) devido ao peso da coluna d’água entre a descarga das bombas e a

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Page 38: Utilidades CC

cota da torre de equilíbrio. A fim de absorver este impacto são implantados três

níveis de proteção:

Fechamento lento e gradativo das válvulas de descarga,

para não gerar variação abrupta de fluxo de retorno. As bombas só podem

ser desliga- das após o fechamento total destas válvulas.

Na ocorrência de parada abrupta do bombeio, o retorno do

fluxo é absorvido por “válvulas antigolpe”. Estas válvulas se abrem

imediatamente para dreno e se fecham lentamente até que o refluxo seja

absorvido.

Na eventualidade de falha na atuação das válvulas antigolpe,

são acionadas as “válvulas de segurança” ou válvulas PSVs. Estas válvulas

são projetadas para abrir para dreno quando a pressão limite de calibração

for atingida. São projetadas para abertura em três níveis diferentes de

pressão, de forma a garantir a confiabilidade do sistema.

(b) Impurezas da água e suas conseqüências

A água em seu estado natural nunca é pura. Mesmo quando a água é

proveniente de uma precipitação pluviométrica, ela só é considerada pura na

condensação em grandes altitudes. Isto porque, à medida que desce através do

ar, a água da chuva dissolve oxigênio, nitrogênio e dióxido de carbono – gases

normalmente encontrados na atmosfera – em quantidades proporcionais às suas

pressões parciais. A água da chuva também encontra poeira, fumaça e vapores

que são dissolvidos ou retidos em suspensão. Bactérias, germes e

microorganismos também são arrebatados pela água de uma precipitação.

Após contato com o solo, a água da chuva, devido ao grande poder de

dissolução que possui, dissolve a matéria mineral do solo e das pedras com as

quais entra em contato. As impurezas contidas na água são assim aumentadas,

seja por percorrer a superfície terrestre, seja por percolar camadas rochosas. A

presença de argila e outros sólidos em suspensão na água de rios e córregos,

produz a sua “turbidez”. Além disso, as águas de superfície ficam sujeitas à

poluição por animais, seres humanos, esgotos das cidades e resíduos industriais.

Consequentemente, existe a necessidade da purificação e do condicionamento

antes de seu uso como água potável ou para fins industriais. Uma análise

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 39: Utilidades CC

completa de uma água potável poderia indicar a presença de mais de 50

constituintes nela dissolvidos ou em suspensão (perfil da água bruta). Estas

impurezas podem ser enquadradas nos seguintes grupos:

Sólidos em suspensão;

Gases dissolvidos;

Sais dissolvidos;

Sílica;

Matéria orgânica.

As impurezas encontradas na água causam problemas de diversas ordens. Os

elementos corrosivos podem levar à corrosão dos elementos metálicos das

caldeiras. Os elementos incrustantes prejudicam a troca de calor entre os gases

e a água nestes equipamentos . Pelo seu grande poder isolante, podem causar

pontos de superaquecimento e conseqüente perda de resistência mecânica e

ruptura da peça. O problema do arraste pode pôr em risco o superaquecedor e

as linhas de distribuição a que se destina o vapor. Nas turbinas as impurezas

poderão danificar ou formar depósitos nas palhetas com redução de eficiência. A

formação de espuma poderá formar películas isolantes sobre as superfícies

internas dos tubos causando superaquecimento e conseqüente falha do

equipamento.

A Tabela 1 apresenta uma lista das impurezas mais comuns e suas

conseqüências.

Tabela 1 – As impurezas e suas conseqüências

ImpurezasEfeitos

CorrosivosIncrustantes

Espuma e

Arraste

Cálcio - X -

Magnésio - X -

Bicarbonato X X -

Carbonato X X -

Sílica - X X

Sólidos dissolvidos - - X

Sólidos em suspensão - X X

Matéria Orgânica - X X

Ferro - X -

Oxigênio X - -

Ácidos X - -

A Tabela 2 detalha as diversas formas de impureza e os tratamentos recomendados

para a eliminação de cada uma delas.

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Page 40: Utilidades CC

Tabela 2 – Impureza versus Tratamentos

ConstituinteFórmula

Química

Dificuldades

Causadas

Meios de

Tratamento

Turbidez Nenhuma.

Confere opacidade à água. Deposita sedimentos nas linhas.

Coagulação, sedimentação e filtração.

Cor Nenhuma.Pode causar espuma em Caldeiras.

Coagulação, filtração, cloração e absorção por carvão ativado.

Dureza

Sais de cálcio e magnésio; expressas como CaCO3.

Fonte principal de depósitos em equipamentos trocadores de calor, caldeiras, linhas, etc.

Abrandamento e tratamento interno com caldeiras.

Alcalinidade

Bicarbonato (HCO3), Carbonato (CO3) e Hidróxido (OH).

Espumas e arrastes sólidos com o vapor, corrosão cáustica no aço das caldeiras. Bicarbonatos e carbonatos produzem CO2 no vapor, uma fonte de corrosão.

Amolecimento com cal e cal soda e desmineralização.

Acidez Mineral Livre

H2SO4, HCl, etc. Corrosão. Neutralização em álcalis.

Dióxido de carbono

CO2.Corrosão em linhas de vapor e condensado.

Neutralização com álcalis e desaeração.

pHConcentração de íon hidrogênio.

Varia de acordo com o teor de sólidos ácidos ou alcalinos da água.

Pode ser aumentado com álcalis e diminuído com ácidos.

Sulfatos SO4.

Aumento no teor de sólidos dissolvidos na água. Combinam-se com o cálcio para formar depósitos de sulfato de cálcio.

Desmineralização, destilação.

Cloretos Cl.Aumenta o teor de sólidos dissolvidos e aumenta o caráter corrosivo na água.

Desmineralização, destilação.

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Page 41: Utilidades CC

ConstituinteFórmula

Química

Dificuldades

Causadas

Meios de

Tratamento

Nitrato NO3.

Aumenta o teor de sólidos, útil no controle da corrosão cáustica em metais de caldeiras.

Desmineralização.

Sílica SiO2.

Depósito em caldeiras e sistemas de água de refrigeração. Depósitos insolúveis em palhetas de turbinas devido à vaporização de sílica.

Processos de remoção a quente com sais de magnésio, desmineralização.

Ferro e manganês

Fe e Mn.

Descora a água ao precipitar. Fontes de depósitos em linhas de água, caldeiras, etc.

Aeração, coagulação e filtração. Abrandamento com cal; troca por desmineralização.

Óleo

Expressa com material extraído por óleo ou clorofórmio.

Formação de depósitos, lamas e espuma em caldeiras. Indesejáveis na maioria dos usos.

Separadores de chicanas, coagulação e filtração.Filtração em terras de diatomácea.

Oxigênio O2.Corrosão em equipamentos.

Desaeração.Sulfito de sódio, hidrazina.Inibidores de corrosão.

Sulfeto de hidrogênio ou gás sulfídrico.

H2S. Causa odor de ovo podre, corrosão.

Aeração, cloração, resinas, troca iônica de base forte.

Amônia NH3.

Corrosão de linhas de cobre e zinco pela formação íons complexos solúveis.

Desmineralização, cloração e desaeração.

Condutividade

Expressa em icronhos, condutância específica.

Condutividade é o resultado dos sólidos ionizáveis em solução.Alta condutividade pode aumentar o caráter corrosivo da água.

Qualquer processo que diminua teores de sólidos dissolvidos.

Sólidos dissolvidos

Nenhuma.

É a medida da quantidade total de matérias dissolvidas. Altas concentrações são prejudiciais por sua interferência em processos industriais e por causar espuma em caldeiras.

Desmineralização, destilação, abrandamentos e osmose reversa.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 42: Utilidades CC

ConstituinteFórmula

Química

Dificuldades

Causadas

Meios de

Tratamento

Sólidos em suspensão

Nenhuma.

Sólidos em suspensão é a medida de matérias não dissolvidas.Entopem linhas, causam depósitos em linhas de equipamentos.

Decantação simples, filtração e floculação.

Sólidos totais Nenhuma.Sólidos totais é a soma das matérias dissolvidas e em suspensão.

Desmineralização, destilação, abrandamentos e osmose reversa.Decantação simples, filtração e floculação.

(c) Tratamento geral da água

Desde a captação até seu uso, a água passa por diversos tratamentos. A Figura 1

apresenta um panorama geral de todas as etapas de tratamento da água em

refinarias.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 43: Utilidades CC

Figura 1 – Esquema geral do tratamento da água em uma refinaria

(c.1) Clarificação

Trata-se da remoção da matéria finamente dividida e em suspensão, em uma

determinada água. Quando necessária, é o primeiro passo a ser dado nos tratamentos

convencionais de água. Modernamente, existem novas tecnologias, como o processo

de filtração através de membranas, que apresentam eficiência superior à clarificação,

porém, apresentam limitações quanto à vazão e quanto ao custo de instalação.

Portanto, seu uso ainda é restrito às indústrias.

1.1 Impurezas

Parte da matéria insolúvel na água sedimenta com relativa facilidade, porém, a matéria

mais finamente dividida é mantida em suspensão. Essas são mantidas em suspensão

pelo fato de possuírem carga elétrica negativa, as quais se repelem. Sendo assim, o

tamanho diminuto das partículas e sua força de repulsão, as mantêm em suspensão.

Para a clarificação da água, é imprescindível a neutralização das cargas negativas da

matéria em suspensão e a aglutinação dessas partículas, a fim de que se tornem

maiores e mais pesadas, e possam sedimentar.

1.2 Coagulação e tipos de coagulantes

Os tipos mais comuns de coagulantes utilizados em estações de tratamento de água

são o sulfato de alumínio, o sulfato ferroso e sulfato férrico. Estes coagulantes reagem

com a alcalinidade natural (ou adicionada, quando necessário) presente na água,

formando hidróxido de alumínio e hidróxido de ferro – trata-se da primeira etapa do

tratamento de água. Os hidróxidos formados possuem carga superficial positiva, que,

ao entrar em contato com os colóides suspensos na água, neutralizam suas cargas e

os encapsulam dentro de sua estrutura floculenta.

1.3 Floculação

Segunda etapa do processo da clarificação, o hidróxido formado pela reação entre o

coagulante e a alcalinidade natural ou adicionada, neutraliza a carga negativa dos

colóides em suspensão, formando os flocos.

1.4 Sedimentação

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 44: Utilidades CC

É a última etapa no processo da clarificação, onde os flocos formados ganham volume

e peso, precipitam, deixando a água praticamente isenta de turbidez. Nos processos

de clarificação mais comuns, os flocos que precipitam serão eliminados ou serão

agitados com o objetivo de acelerar o processo de formação de novos flocos.

1.5 Funcionamento de um Clarificador

1- A água bruta recebe a adição dos produtos químicos;

2- Fase referente à coagulação, a agitação deve ser suficiente para garantir a

eficácia do processo;

3- A água entra na zona de reação primária, onde ocorre a floculação. Nessa fase

a energia fornecida pelo agitador é bem menor, sendo suficiente para a formação dos

flocos, a manutenção da lama em suspensão e promover o seu adensamento;

4- A lama formada passa para a zona de reação secundária e desta para a bacia

de lama;

5- Na bacia de lama ocorrerá o encontro da água (sentido ascendente) com a

lama (sentido descendente), nessa fase a lama agirá como filtro, retendo as impurezas

arrastadas pela água, ganhará peso e retornando à zona de reação primária, onde

participará de novas reações ou/e será descartada;

6- A água já clarificada abandona o clarificador através de um conjunto de

canaletas existentes em sua superfície, que deságuam na caixa coletora de água

clarificada.

A figura abaixo representa um clarificador modelo ACCELATOR:

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 45: Utilidades CC

A figura abaixo representa um clarificador tipo compacto:

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 46: Utilidades CC

1.6 Teste de Jarro

Tem por objetivo determinar o pH ótimo de floculação e a quantidade mínima de

reagentes. Faz-se necessário quando as análises mostram alterações significativas na

qualidade da água em um de seus estágios. Por exemplo: a turbidez da água

clarificada deverá corresponder a 10% da turbidez da água bruta, devendo o técnico

de operação perseguir esta meta.

Primeira etapa:

a. Determinar: VM, pH e turbidez da água bruta.

b. Consultar a tabela de turbidez X concentração de Al2 (S04)3.

c. Determinar a concentração do tanque de sulfato de alumínio.

d. Determinar a quantidade de cloro adicionado e calcular a quantidade de alcalinidade

consumida, sabendo-se que:

- para cada 1ppm de Cl2 adicionado à água, ocorrerá a redução de 1 ppm de

CaC03.

Dependendo da faixa de pH da água a qual o cloro esta sendo adicionado, este

reagirá com a água formando HCIO + HCl. O ácido clorídrico consome a alcalinidade

ao reagir com ela.

Observação: Para cada 1ppm de Al2 (S04)3 são necessários 0.7ppm de CaC03 para que todo o

sulfato adicionado reaja ou 0.3 ppm de Ca(OH)2, ou seja, se não houver na água, a quantidade

de alcalinidade suficiente para reagir com todo o Al2 (S04)3. Deve então o técnico de operação

adicionar o Ca(OH)2, na proporção acima mencionada em quantidade suficiente para suprir a

porção do sulfato que não reagiu.

Exemplo: Foi adotada como uma das dosagens de teste 10 ppm de sulfato, porém, a

alcalinidade natural da água bruta (VM) encontra-se em 5 ppm, havendo assim um déficit de 2

ppm de alcalinidade natural. Neste caso somente 70% do sulfato adicionado reagiria, sendo,

portanto necessária a dosagem de Ca(OH)2 em quantidade suficiente para que os 30%

restantes de sulfato reajam. Como, para cada 10 ppm de sulfato adicionado são necessárias 3

ppm de alcalinidade adicionada são necessários 0.9 ppm de Ca(OH)2,, para que nesta amostra

todo o sulfato reaja.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 47: Utilidades CC

Segunda etapa:

a. Para cada concentração de sulfato adotada, proceder de acordo com a fórmula:

VD=CR XVB

CT

Onde:

VD = VAZÃO DO DOSADOR (l/h).

CR= CONCENTRAÇÃO DO REAGENTE (mg/l)

VB= VAZÃO DA ÁGUA BRUTA (m3/h)

CT= CONCENTRAÇÃO DO TANQUE (g/l)

b. Ligar o aparelho em rotação máxima;

c. Adicionar os reagentes sem tocar com os dedos na água;

d. Após 60s reduzir a rotação para 18 r.p.m. e coletar 100ml de cada frasco para

análises de pH e VM;

e. Após 30min parar a agitação e anotar:

Tempo de formação dos flocos;

Tamanho dos flocos;

Tempo de assentamento;

Turbidez da clarificada após 15min.

Terceira etapa:

Quando o pH da caixinha for maior que o pH determinado no teste:

a. Buscar no gráfico pH X R o valor de R1 correspondente ao valor do pH ideal do

teste;

b. Determinar pH e VM real da caixinha;

c. Buscar no gráfico pH X R o valor de R2 correspondente ao pH real da caixinha;

d. Calcular a quantidade de C02 na amostra, onde:

C02= VM

R2

VM - Valor encontrado na caixinha

e. Calcular a quantidade de sulfato a ser adicionado em ppm,

Q = (VM- RI) C02

0.4 (R1 + 0.45)

Onde:

Q = SULFATO A SER ADICIONADO (VALOR EM ppm)

VM= VALOR ENCONTRADO NA CAIXINHA.PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008

Quali f icAbastQual i f icAbast47

Page 48: Utilidades CC

C02 = JÁ CALCULADO ANTERIORMENTE.

RI = VALOR DO TESTE (lDEAL).

Quarta etapa:

Quando o pH da caixinha for menor que o encontrado no teste:

a. Buscar no gráfico pH X R o valor de R1;

b. Determinar os valores de pH e VM da caixinha;

c. Buscar no gráfico pH X R o valor de R2;

d. Calcular a quantidade de C02 na amostra de caixinha;

e. Calcular a quantidade de cal a ser adicionado em ppm;

Q = RI (C02 - VM)

1.11 (R1+ 1.26)

(c.2) Desinfecção

Tem por objetivo a destruição dos organismos patogênicos com rapidez, ou seja, com

eficácia. Deve ser isento de toxidade ao homem nas dosagens necessárias para a

obtenção da eficácia do processo, atendendo aos requisitos de custos do processo,

segurança das instalações e do usuário. Deve ser de fácil transporte e

armazenamento, não conferir gosto ou odor à água e ser de fácil detecção e

mensuração.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 49: Utilidades CC

Deve-se produzir residual com a finalidade de garantir a qualidade da água, mesmo

nos pontos mais remotos da rede de abastecimento.

2.1- Processos Físicos

Calor;

Luz ultra-violeta.

2.2- Processos Químicos

Oxidantes – ozona, halogênios (cloro, bromo e iodo);

Permanganato de potássio;

Água oxigenada;

Íons metálicos – prata.

2.2.1- Cloração:

A cloração como desinfecção é eficiente, econômica e prática no sentido de tornar a

água de abastecimento potável. O gráfico abaixo nos dá a real dimensão da

importância da cloração junto à população abastecida. Grande utilização tem a

cloração no processo de potabilização.

Estações de tratamento de água que visam o abastecimento de cidades, injetam cloro

na água, para esterilizá-la e torná-la potável. Mesmo as indústrias que não requerem

água potável muitas vezes fazem uso do cloro no processo de coagulação através da

oxidação de microrganismos e de matéria orgânica. Evita-se, desta forma, a formação

de limo nos equipamentos e a presença de cor na água.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 50: Utilidades CC

A cloração pode ser feita pela injeção de cloro gasoso ou adição de hipoclorito de

sódio. O gás cloro é encontrado no mercado em cilindros pressurizados e o hipoclorito

em bombonas ou contentores.

Em instalações de médio e grande porte, o usual no armazenamento do hipoclorito de

sódio é a utilização de tanques de fibra de vidro, e o seu abastecimento feito por

caminhão. A estação de Tratamento de Água do Guandu no Rio de Janeiro utiliza

cloro, entretanto, sua demanda é tamanha que o cilindro é a própria carreta e o tempo

de duração é de aproximadamente 24 horas, apresentando pequenas variações,

dependendo da demanda e qualidade da água.

A figura abaixo mostra um sistema típico de cloração:

A ação bactericida do cloro penetra pela membrana celular e depois dentro da célula,

reagindo com o sistema de enzimas através de reação química irreversível, não

permitindo a oxidação da glicose e a atividade metabólica celular.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 51: Utilidades CC

2.2.2- Fatores que influenciam na desinfecção:

Espécie, concentração e capacidade de resistência dos microorganismos

de serem destruídos;

Tipo e concentração do desinfetante existente na água de que resultam o

tipo e concentração dos elementos provenientes da reação do desinfetante com a

água;

Tempo de contato do desinfetante com a água;

Características químicas e temperatura da água.

2.2.3- Influência do pH na reação:

pH > 9,5 - quase todo o composto estará sob a forma de OCl-

pH entre 6,5 e 8,5 - ocorrerá a reação HclO H+ OCl- tendendo para a

direita

pH entre 4,5 e 6,0 - predomina a forma HclO

pH < 3 – o cloro existente estará sob a forma Cl2.

A melhor faixa de pH encontra-se entre 4,5 e 6,0 porque o HClO é isento de carga

elétrica e é uma molécula de tamanho pequeno, cujo ângulo formado entre os seus

átomos permite fácil penetrabilidade através da membrana celular.

2.2.4- Teoria do BREAK- POINT:

O cloro adicionado à água pode ser consumido por reações com materiais orgânicos e

inorgânicos existentes na água. Essas reações laterais e a proporção de sua

ocorrência comprometem o processo de desinfecção, sendo por esse motivo,

necessário que o cloro adicionado à água, exista em quantidade suficiente para

atender tanto às reações laterais, quanto às específicas do processo.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 52: Utilidades CC

2.2.5- Pré-cloração:

Aumenta a eficiência da coagulação;

Impede a decomposição de matéria orgânica no lodo depositado nos

clarificadores;

Permite o controle das algas e microorganismos;

Oxida materiais que produzam cor, sabor e odor;

Aumenta a eficiência da filtração, auxiliando a ação dos leitos pela oxidação

da matéria orgânica;

Evita a formação de bolas de lama nos filtros.

2.2.6- Pós-cloração:

Desinfecção da água com garantia de cloro residual livre ou combinado, através de

parte ou todo o sistema de distribuição de água. Este conceito é empregado para

distribuição de água potável.

(C.3) Filtração

Consiste na passagem de água por filtros para remoção de sólidos suspensos. Essa

operação é puramente mecânica, e nem toda a matéria em suspensão fica retida. Essa

etapa ocorre geralmente após a clarificação nas estações de tratamento de águas.

Processo através do qual o líquido que contém matéria em suspensão passa através

de um material poroso adequado (disposto em camadas com granulometrias

diferenciadas), de tal forma que remova de forma efetiva a matéria em suspensão.

Com a passagem da água pelo leito filtrante (geralmente areia), verifica-se a remoção

da matéria em suspensão e de substâncias coloidais, alterando-se as características

da água, inclusive as químicas, e reduzindo-se substancialmente o número de

bactérias presentes.

Na verdade a ação do leito filtrante não é criar poros menores do que a matéria retida.

A remoção da argila finamente dividida, bactérias, partículas coloidais, menores que os

poros, ocorre porque essas partículas aderem à superfície dos grãos do elemento

filtrante. Esse fenômeno ocorre em função dos caminhos curvos que a água percorre

entre os grãos, onde a ação da força centrífuga é de empurrar as partículas contra a

superfície dos grãos, onde ficam retidas.

Os filtros podem ser denominados filtros de pressão e por gravidade. Os do primeiro

tipo apresentam taxas de filtração maiores, porém, consomem energia, sendo,

portanto, indicados em sistemas projetados sob condições desfavoráveis de espaço. A PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008

Quali f icAbastQual i f icAbast52

Page 53: Utilidades CC

freqüência de lavagem do leito ocorre em função da qualidade da água filtrada

desejada, perda de carga no leito (pelo acúmulo de impurezas na sua superfície) e

pela qualidade da água de alimentação do filtro. A lavagem consiste pela passagem de

água em fluxo contrário ao de operação, durante o tempo necessário para que a água

de lavagem saia limpa. Em decorrência das impurezas serem em sua quase totalidade,

retidas no topo do leito, a postergação do processo de lavagem do leito além dos seus

limites de projeto, traz risco de danos ao leito filtrante pelo efeito da pressão exercida

pelo excesso de material retido.

Essa compressão pode levar a rachadura do leito e afastamento da região do leito

junto às paredes do filtro. Provocam fluxo preferencial e, ainda, na formação de bolas

de lodo no interior dos leitos. Ocasionam a formação microbiana no sistema, redução

do potencial de filtração e, por último, a formação de bolhas de ar no interior do leito,

que durante o processo de lavagem desarrumam o leito comprometendo a qualidade

da água filtrada.

As figuras abaixo representam sistemas de filtração sob pressão e por gravidade:

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 54: Utilidades CC

(c.4) Água para fins Industriais

Neste capítulo serão abordados alguns tipos de processos que ocorrem em estações

de tratamento de águas para fins industriais, portanto, mais específicos.

Alguns equipamentos trabalham sob condições severas de pressão e temperatura.

São, portanto, mais suscetíveis a ataques pelas impurezas presentes na água ou pela

formação de elementos prejudiciais ao processo de troca térmica desses materiais.

Logo, alguns tratamentos específicos devem ser adotados para reduzir os riscos no

processo.

Há também determinados processos que necessitam da água isenta de impurezas, um

exemplo é o da indústria farmacêutica. Nesse tipo de processo a pureza da água não é

determinada pelo nível de severidade ao qual os equipamentos estão expostos, mas,

sim pela qualidade do produto final.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 55: Utilidades CC

4.1 - Descloração:

É o processo que consiste na adsorção do cloro livre (que causa a deterioração das

resinas, comprometendo a eficiência da estação desmineralizadora) e matéria orgânica

(que promovem o envenenamento das resinas aniônicas). Dá-se através da

passagem da água filtrada por um leito de carvão ativado, onde a substância adsorvida

concentra-se na superfície do grão de carvão.

Trata-se de um fenômeno físico reversível, no caso do cloro e da matéria orgânica, e

explica-se a adsorção pelo fato de existirem condições diferentes entre as moléculas

da superfície e as do interior do grão de carvão. Cria-se, assim, um campo de forças

não equilibrado que atrai determinadas substâncias ou gases dissolvidos.

Como garantia da boa qualidade do processo alguns parâmetros devem ser

acompanhados:

Número de iodo;

Matéria Orgânica no efluente;

Perda de carga no leito;

Concentração de Cloro Livre no efluente;

Turbidez do efluente.

4.2 - Desmineralização:

É o processo de remoção de sais minerais ionizados na água, para o fornecimento de

água para a produção de vapor. A desmineralização envolve duas etapas de troca

iônica. Na primeira a água a ser tratada passa através de um leito de resinas de íons

catiônicos, onde os cátions presentes são retidos pela resina, que libera quantidade

equivalente de íons de hidrogênio. Na segunda etapa, a água já decationizada passa

através de um leito de resinas de íons aniônicos, onde os anions são retidos pela

resina que libera quantidade equivalente de íons hidroxila.

Após essa etapa, a água se encontra quase isenta dos cátions e ânions que continha.

Por serem mais resistentes química e fisicamente, as resinas catiônicas são as

primeiras no processo de desmineralização. O valor do pH no efluente da coluna de

resina catiônica é baixo devido à presença de ácidos minerais . A condutividade, por

sua vez, é alta. O valor de acidez mineral livre desse efluente depende do total de sais

dissolvidos no afluente. Ao final deste ciclo da resina catiônica o valor de acidez

mineral livre diminui e o pH aumenta.

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Page 56: Utilidades CC

Águas ricas em bicarbonatos produzem muito CO2 após a coluna de resinas trocadoras

de cátions e, por isso, em muitas estações desmineralizadoras é conveniente a

instalação de torres descarbonatadoras. Elas removem o CO2 da água decationizada

reduzindo a carga iônica para as resinas aniônicas (prolongando seu ciclo) e reduzindo

processos de corrosão em tubulações e acessórios.

Dos cátions comumente presentes em águas, o sódio é o primeiro a aparecer no

efluente de uma coluna de resina catiônica. A elevação na concentração do sódio no

efluente é sinal de término de um ciclo de operação. Porém, a concentração de sódio

no efluente pode variar em função da concentração de sódio no influente, da

alcalinidade da água, da alteração no nível de regeneração e diferentes técnicas de

regeneração.

O nível de concentração de sódio que determina o final de um ciclo varia em função do

nível de pureza que se deseja. Em algumas estações existem analisadores de sódio

na saída dos vasos, e em outras (o mais comum) a avaliação é feita pelo nível de

condutividade na saída dos leitos permutadores aniônicos.

Após o ciclo de operação da resina permutadora catiônica ocorre à exaustão da resina,

o que indica o final de sua capacidade de troca. Inicia-se então o processo de

regeneração do leito, que no caso das resinas permutadoras de cátion consiste (mais

comum) na passagem de ácido sulfúrico com o objetivo de introduzir H+ nas moléculas

da resina e remover cátions anteriormente retidos, diferentes do H+ .

Dos ânions comumente presentes em águas, a sílica é um dos primeiros a aparecer no

efluente dos permutadores aniônicos ao término do ciclo de operação. A elevação na

concentração de sílica no efluente do permutador aniônico é sinal de saturação da

resina aniônica.

A regeneração da resina aniônica consiste na passagem de hidróxido de sódio para

introduzir nas moléculas da resina os íons OH- que ela cedeu nas permutas, durante

o ciclo de operação.

A figura a seguir, representa as reações que ocorrem durante a operação normal em

uma estação de desmineralização:

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Page 57: Utilidades CC

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Page 58: Utilidades CC

As figuras abaixo representam as resinas e as reações envolvidas:

O desenho abaixo representa o processo de regeneração de um leito do tipo misto.

Esse tipo de equipamento contém os dois tipos de resina, a catiônica e a aniônica e

destina-se a produção de águas para caldeiras de alta pressão. Durante a operação

normal as resinas operam misturadas. Porém, ao final de um ciclo de operação elas

são separadas por diferença de densidade (contra-lavagem) e são regeneradas

separadamente. O ácido sulfúrico entra por baixo e a soda cáustica entra por cima.

Esses vasos operam após os leitos aniônicos ou após a osmose reversa.

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Page 59: Utilidades CC

4.3. Osmose Reversa:

A osmose reversa é usada basicamente para reduzir salinidade, porém, também reduz

sílica e material orgânico coloidal com alto peso molecular. Assim, quando

complementado por sistema de troca iônica é utilizado para água de alimentação de

caldeiras, farmacêuticas, na indústria eletrônica, etc.

A água passa por uma bateria de membranas e é de qualidade constante. O processo

é contínuo, não necessita de regenerações freqüentes, gerando efluentes em muito

menor quantidade. São sistemas compactos, de baixa manutenção, alto nível de

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 60: Utilidades CC

automação e baixo custo de mão-de-obra. O Custo de instalação é elevado se

comparado com a desmineralização.

Suas limitações são: pressão de operação, alta concentração de sais no meio,

temperatura de operação e requer um ótimo pré-tratamento.

A figura abaixo representa como são montadas as membranas na osmose:

4.4- Ultrafiltração:

É um processo que tanto se aplica à tecnologia de tratamento de águas para o

abastecimento, quanto no tratamento de efluentes industriais.

Apresenta ótimos resultados quando opera em estações de tratamento de águas com

a finalidade de preparar a água tanto para o processo de desmineralização

convencional, quanto para a osmose reversa. Sendo que, para esse último processo,

garante a total remoção de partículas indesejadas no processo de osmose reversa,

que por vezes resultam na perda da membrana.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 61: Utilidades CC

Apresenta elevado grau de automação, instrumentação e pouca intervenção do

homem. Gera menor quantidade de efluentes e possui elevado custo de implantação.

O processo em si é bastante simples:

Em um tanque são dispostos cassetes com um conjunto de membranas

(porosidade média de 4 micras).

O tanque é alimentado pela água a ser tratada;

Uma bomba promove uma pressão negativa no interior das membranas,

promovendo fluxo de fora para dentro das mesmas;

As membranas promovem a ultrafiltração da água, originando o que

denominamos permeado.

A figura abaixo ilustra um processo de ultrafiltração:

A foto abaixo apresenta um cassete com membranas:

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 62: Utilidades CC

4.5 - Reuso nas Estações de Tratamento de Água:

É fato a crescente escassez de água no planeta. Em decorrência disto, observa-se um

aumento na cobrança pela sociedade e pelos órgãos ambientais, pela redução de

efluentes e consumo de água nos processos industriais.

Daí, novas concepções de estações de tratamento estão sendo projetadas, e o

diferencial com relação às antigas estações está no reuso da água, que outrora era

despejada com ou sem tratamento nos corpos receptores.

Todos os projetos produzem rejeitos, que variam em volume conforme a tecnologia - o

ideal é que sejam os menores possíveis. Adiante, vamos abordar os efluentes das

regenerações nas desmineralizações, dos processos de clarificação, filtração e

ultrafiltração.

O efluente do primeiro processo é armazenado em um tanque para a neutralização das

correntes oriundas das regenerações dos leitos permutadores catiônicos (ácidos) e

aniônicos (básicos), no qual o pH deverá atingir valores entre 6,0 e 7,0. Após essa

etapa, o volume do tanque deverá retornar à clarificação.

O efluente do segundo processo é armazenado em um tanque de homogeinização e,

em seguida, passa por um processo de separação física composto por duas etapas: a

primeira composta por uma centrífuga, a segunda pode ser tanto um filtro prensa,

quanto um forno de secagem. A água resultante dessa separação retorna à

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Page 63: Utilidades CC

clarificação e o material sólido é disposto em aterro sanitário, de acordo com a sua

classificação.

A figura abaixo representa uma centrífuga em corte:

A foto abaixo é de uma centrífuga semelhante a da figura anterior:

A figura abaixo representa um forno de secagem:

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 64: Utilidades CC

1. alimentador e queimador de combustível;

2. câmara de combustão;

3. pré-câmara de controle;

4. tambor rotativo de duplo ou triplo circuito;

5. câmara de saída dos gases;

6. ciclone para eliminação de componentes sólidos (finos);

7. turbina de aspiração;

8. chaminé;

9. esteira;

10. plc.

A foto abaixo é de um filtro prensa:

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 65: Utilidades CC

(c.5) Tratamento de Efluentes Hídricos

Os principais poluentes hídricos provêm de atividades da agropecuária, indústria e

doméstica. A poluição hídrica pode ser classificada como química, física, fisiológica e

biológica. Nesse estudo abordaremos a poluição química, que pode ser dividida em

orgânica e inorgânica.

A carga orgânica é devida a carboidratos, proteínas, gorduras, resinas, borrachas,

sabões, álcoois, cetonas, ácidos, carvões, detergentes, pesticidas, fenóis, compostos

halogenados, etc. O inconveniente dessas cargas é o consumo de oxigênio dissolvido,

inibidor da vida microbiológica do meio.

A matéria inorgânica contida nos esgotos é formada, principalmente, pela presença de

areia e de substâncias minerais dissolvidas.

Os efluentes sanitários são provenientes de residências, clubes, comércio e drenagens

urbanas. Nas grandes cidades seu tratamento é motivo para batalhas entre entidades

ambientais, comunidades e governos, tendo em vista, os impactos que causam ao

meio ambiente e também pela perda da qualidade de vida dos cidadãos.

O tratamento adequadamente empregado é o de Lodo Ativado. Em alguns casos,

opta-se pelo emprego de emissários submarinos (com ou sem tratamento anterior),

dependendo da qualidade e do volume envolvido. Considera-se, também, a

proximidade com grandes corpos receptores como oceanos.

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Page 66: Utilidades CC

As indústrias produzem efluentes cujos volumes são bem inferiores aos urbanos,

todavia, o nível de concentração dos contaminantes é bem maior. Quase que em sua

totalidade são obrigadas a tratar seu efluente, de forma a atender a legislação em

vigor.

O tipo de tratamento empregado irá depender de uma série de fatores, entre eles

podemos citar: as características físico-químicas do efluente, proximidade dos corpos

receptores, disponibilidade de recursos hídricos na região, legislação vigente, nível de

tecnologia e custos de implantação e operação.

5.1- Processos Físicos:

O separador mais utilizado é o do tipo API.

Esse sistema consiste em duas ou mais câmaras retangulares, comumente chamadas

de piscinas. Por elas o despejo flui horizontalmente, e o óleo livre e os sólidos

decantáveis são separados e removidos da massa líquida.

O princípio de separação é o de diferença de densidade.entre o óleo e a água,

puramente físico. O escoamento nessas câmaras é perfeitamente laminar. O óleo por

ser mais leve que a água vai para a superfície e os sólidos vão para o fundo.

As câmaras ou piscinas são dotadas de raspadores de deslocamento ou raspadores

montados sobre pontes rolantes, que se deslocam entre os extremos das mesmas. Em

um sentido a ponte raspa o óleo, e no sentido oposto ela raspa os detritos que

sedimentaram. O óleo é coletado por um tubo do tipo flauta e enviado ao processo. Os

sólidos são enviados para a estação de tratamento de resíduos sólidos e a água

contendo somente contaminantes dissolvidos, é enviada para a próxima etapa do

tratamento, referente à remoção bioquímica dos contaminantes remanescentes.

Os separadores são geralmente dotados de rolos coletores, tanques pulmão, (cuja

finalidade é a de armazenar excedentes de vazão) e bombas para o recalque das

correntes separadas.

Para atender ao princípio do fluxo laminar, o ideal é que a escolha do local para sua

construção seja em uma área mais baixa que a das unidades de processo. Se não for

possível essa concepção, que sua alimentação seja feita por bombas do tipo parafuso,

que tem como característica o fluxo laminar.

A figura abaixo representa um separador API:

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Page 67: Utilidades CC

5.2- Processos Biológicos:

5.2.1 - Lagoas de Aeração

Correspondem ao tratamento biológico e representam geralmente a segunda fase do

tratamento de efluentes(tratamento secundário), sendo precedidas por um tratamento

físico de separação (tratamento primário). Utiliza-se Lagoas de aeração sempre que a

demanda por oxigênio for muito grande em comparação com a capacidade natural de

aeração da massa líquida.

Um dos métodos mais empregados para o fornecimento de oxigênio é a utilização de

aeradores. O aerador consiste em um agitador com potência suficiente para levantar

parte da água a sua volta, promovendo o contato da massa líquida com o ar

atmosférico, elevando dessa forma a concentração do oxigênio dissolvido na água.

A oxigenação é necessária no sentido de promover a oxidação de determinados

compostos e prover os microrganismos heterótrofos necessários para a degradação da

matéria orgânica. Mantém, também, toda a massa em suspensão, impedindo a

formação de regiões anaeróbicas nas lagoas que compõem o sistema.

5.2.2- Lodos Ativados

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 68: Utilidades CC

O processo de Lodo Ativado consiste na aeração do esgoto por um período de tempo,

necessário à formação de uma massa de sólidos sedimentáveis.

Uma parte desses sólidos é formada por uma massa ativa de microrganismos,

responsáveis pela estabilização da matéria orgânica. Esses microrganismos se

agrupam em flocos dentro do lodo formado. Parte desse lodo é produzida no tanque de

aeração e nos decantadores, retornando deste para o tanque de aeração, para

alimentar mais ainda as bactérias (recirculação).

Geralmente a grande maioria dos resíduos já contém microrganismos necessários ao

processo. A qualidade do efluente no processo de lodo ativado depende do

desenvolvimento adequado desses microrganismos, através de condições ótimas de

operação como aeração, temperatura e pH.

O alimento é a matéria orgânica, os microrganismos são as bactérias (maioria) e mais

fungos e protozoários. Os nutrientes necessários ao processo são fósforo e nitrogênio.

O sistema é composto basicamente por um sistema de gradeamento, uma caixa de

areia, um tanque de aeração, um decantador, um biodigestor e um sistema de

secagem do lodo:

O gradeamento tem a finalidade de reter o material grosseiro;

A caixa de areia tem a finalidade de reter a areia arrastada pelo processo;

O tanque de aeração tem a finalidade de:

Satisfazer o metabolismo dos microrganismos com o oxigênio necessário;

Manter agitação dos flocos de modo a evitar a sua decantação e a formação

de áreas anaeróbicas;

Retirada dos produtos voláteis do metabolismo.

Os decantadores têm a finalidade de promover a separação dos sólidos da

massa líquida que abandona o tanque de aeração, promovendo um efluente

clarificado, pronto para o despejo ou para a unidade de reuso. O lodo retido

nos decantadores poderá ser devolvido ao tanque de aeração ou ser

tansferido para o biodigestor, dependendo da idade desse lodo.

O biodigestor tem a finalidade de promover a oxidação dos microrganismos

aeróbicos;

O sistema de secagem poderá ser do tipo leito de secagem, filtro prensa,

centrífuga e forno de secagem. Sua importância está na necessidade de

reduzir, ao máximo, o volume do material inerte a ser disposto em aterro,

barateando o processo.

O esquema abaixo representa as opções de arranjo mais adotadas em indústrias:

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Processos Físicos

Lagoas de Aeração

Lodos Ativados

Page 69: Utilidades CC

A figura abaixo representa um esquema de funcionamento de uma estação de lodo

ativado

5.3 - Reuso nas Estações de Tratamento de Efluentes:

A adoção do reuso nos processos de tratamento de efluentes é cada vez maior. As

indústrias estão adequando a água antes despejada nos corpos receptores, para suprir

as necessidades de irrigação de jardins, descargas em banheiros, pressurização de

sistemas de incêndio, água de reposição de torres de resfriamento, etc.

As duas principais razões que motivaram as empresas a adotar essa prática foram a

necessidade da obtenção da outorga para uso de água e a iminente cobrança pelo

volume de água consumido e também pelo despejado, mesmo sendo esse tratado.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 70: Utilidades CC

Outra razão está no desenvolvimento de técnicas de tratamento que propiciaram ao

barateamento dos custos.

Uma técnica bastante interessante é a utilização da ultrafiltração nos efluentes das

lagoas de aeração e lodos ativados. Promove um efluente de ótima qualidade a água,

tornando-a insípida e cristalina.

5.4 - Reflexão

“Não tem sentido opor meio ambiente e desenvolvimento, pois a qualidade do primeiro

é o resultado da dinâmica do segundo”.

Desenvolvimento e preservação ambiental sempre foram termos antagônicos. Até bem

pouco tempo, não se podia imaginar que ambos pudessem conviver em um mesmo

ambiente sistêmico. Contudo, a rapidez com que o homem devasta o meio ambiente,

comprometendo seriamente a sua própria existência, forçou-o a tomar medidas que

propiciassem uma condição de maior equilíbrio, na qual se busca o desenvolvimento

com o menor impacto ambiental possível.

A falta de uma consciência holística no que tange a ecologia, por parte de vários

seguimentos da sociedade, fez com que muitos acreditassem que não haveria

escassez de recursos naturais. Isso levou as sociedades a buscar o desenvolvimento

em detrimento do meio ambiente, através de atividades que consumiam os recursos

naturais de forma indiscriminada e lançavam seus despejos sem o tratamento

adequado.

O iminente colapso dos recursos, principalmente hídricos (primeiramente sentido na

Europa) culminou com o surgimento da consciência ecológica por parte da sociedade.

Foram criadas e alteradas as legislações ambientais, intensificaram-se cobranças

governamentais, como forma de impelir as empresas a buscar formas mais limpas de

produção:

- Estações de tratamento de efluentes, estações de reuso de água, filtros que reduzem

emissões atmosféricas, plantas industriais com curvas térmicas eficientes, unidades

com elevado nível de automação e plantas de processo que demandam matérias

primas menos nobres.

Os exemplos acima são todos ligados à produção mais limpa. São geradoras de

menos efluentes industriais, mas que, aumentam os custos da produção e o preço final

das mercadorias.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 71: Utilidades CC

No final dos anos 80 mercados mais desenvolvidos passaram a exigir certificados e

padrões mínimos de qualidade para as mercadorias importadas. Isto concorreu para

que outros países também buscassem o atendimento a essas novas demandas,

procurando evitar a perda de mercado. Os governos receosos pela perda de divisas e

sua repercussão sobre suas balanças de pagamento, aprovaram leis mais severas na

área ambiental.

A sociedade e os meios de comunicação combatem, cada vez mais as empresas que

degradam o meio ambiente, cobrando dos governos medidas que garantam o

cumprimento da lei.

Esta nova ordem leva o empresário a repensar a questão ambiental, não mais sob o

ponto de vista puramente ecológico, mas, como sobrevivência da própria empresa.

Passivos ambientais elevados podem inviabilizar o negócio e até mesmo tornar a

empresa desinteressante para a venda. A imagem poluidora impacta negativamente os

resultados, dificulta contratos com “parceiros” e sua penetração em novos mercados.

Em contrapartida, empresas limpas têm forte aceitação por parte da sociedade. Estas

espelham modernidade, prosperidade, qualidade, compromisso e empatia junto ao

público, formando um conjunto forte de fatores de diferenciação.

Por tudo isso, realmente a qualidade do meio ambiente é o resultado da dinâmica do

desenvolvimento.

(d) Tratamento de água para caldeira

A qualidade da água de reposição para uma caldeira depende de vários fatores.

Entre eles, do projeto da caldeira, da temperatura e pressão de operação, da

capacidade da caldeira, da quantidade de condensado retornado e das análises da

água bruta. A escolha da combinação dos diversos tratamentos depende de uma

análise apurada destes fatores. Quanto maiores os níveis de temperatura e pressão,

mais rigoroso deve ser o tratamento. Portanto, uma água de alimentação de caldeira

deve ser totalmente isenta de sais e gases dissolvidos, conhecidos como tratamentos

externos. Anteriormente, abordamos o processo de desmineralização, detalhadamente.

Os tratamentos internos consistem em adicionar produtos químicos em quantidade

adequada à água da caldeira para equilibrar o pH e combater os gases dissolvidos

causadores da corrosão formando, com os sólidos dissolvidos e em suspensão,

produtos que possam ser eliminados através da purga de superfície e de fundo.

(d.1) Desaeração e Tratamento de condensado (tratamentos externos)

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 72: Utilidades CC

Desaeração é o método usado para retirar os gases dissolvidos da água com

equipamentos chamados desaeradores. Consiste em bombear a água através de

bocais finos quebrando sua tensão superficial e aquecê-la através da passagem

de vapor em contracorrente. A água praticamente pulverizada e aquecida libera

os gases nela contidos, que são removidos para a atmosfera pelo vent do

desaerador.

A Figura 2 mostra detalhes do desaerador:

Figura 2 – Detalhe do desaerador

É usual fazer-se o tratamento do condensado reutilizado, que poderá passar por

filtros de cartucho com celulose e em resinas polidoras, a fim de reter partículas

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 73: Utilidades CC

decorrentes de corrosão e/ou cavitação.

(d.2) Tratamento interno

São tratamentos realizados na água de caldeira pela adição de produtos químicos.

Tratamento com hidrazina

Os gases dissolvidos devem ser eliminados da água pela desaeração. Entretanto,

para garantirmos sua completa eliminação é comum a utilização da substância

hidrazina, que reage com o oxigênio, resultando em água e hidrogênio que é

um gás inerte.

N2H4 + O2 N2 + 2H2O

A vantagem do uso da hidrazina é não aumentar o teor de sólidos dissolvidos e, além

disso, aumentar o pH do vapor produzido.

Tratamento com fosfato

Produtos à base de fosfatos e alcalina de hidroxida são adicionados à água

contida na caldeira para reagir com os sais de cálcio e magnésio e formar uma

lama não aderente. Esta lama deve ser retirada periodicamente por meio da

extração de fundo. Pode ser necessária a adição de dispersantes que impeçam

a sedimentação e auxiliem na remoção da lama.

Não usamos este método quando não é possível fazer esta purga de fundo.

Tratamento com soda

Em caldeiras mais antigas onde não é possível a purga de fundo usamos (1) a

adição de hidróxido de sódio para manter a alcalinidade da água – isto evita

que ela não se torne corrosiva – e (2) a purga de superfície para manter os sólidos

dissolvidos sobre controle.

Devido à possibilidade de corrosão por concentração de soda sob depósitos de

oxido de ferro – fragilidade cáustica do metal –, a alcalinidade parcial (VP) deve

ser rigorosamente controlada.

Tratamento do condensadoPETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008

Quali f icAbastQual i f icAbast73

Page 74: Utilidades CC

A fim de neutralizar o ácido carbônico formado nas linhas de condensado,

utilizamos amônia ou aminas voláteis (morfolina e ciclo-hexilamina), para elevar o

valor do pH cima do patamar de 8,3 e inibir o ferro de corrosão.

(d.3) Parâmetros de controle

A seguir são listados alguns dos parâmetros de controle mais importantes para

os diversos tratamentos da água:

Fosfato: entre 10 e 20ppm. (curva);

pH: acima de 9,0;

Condutividade (medida indireta dos sólidos dissolvidos): menor que

250mho/cm (a 25ºC);

Sílica: menor que 1,5ppm;

Dureza: mede cálcio e magnésio e causa espuma e arraste. Deve ser zero;

Sólidos totais dissolvidos: alcalinidade/sólidos totais dissolvidos > 20% =

espuma;

Alcalinidade F(VP) parcial: mede hidróxidos e carbonatos. Máximo 30ppm;

Alcalinidade M(VM) total: mede hidróxidos, carbonatos e bicarbonatos.

Máximo 50ppm;

Relação VM/VP = 1,2 a 1,5;

Óleo: causa espuma, ausente.

(d.4) Alimentação de produtos químicos

Os produtos químicos (fosfato, soda cáustica, dispersantes, etc.) são preparados

em vasos próprios e dosados nas caldeiras através de bombas dosadoras.

Essas bombas normalmente são bombas alternativas (alta pressão na descarga).

Elas efetuam a dosagem diretamente no tubulão inferior ou na água de

alimentação (após o desaerador, na sucção das bombas de alimentação) no

caso particular da dosagem de hidrazina.

(e) Tratamento da água de refrigeração

Na maioria dos processos industriais que geram uma certa quantidade de calor

durante sua operação há a necessidade de resfriamento de equipamentos e

maquinarias em geral. O fluido geralmente utilizado para dissipar esse calor é a

água. A água tem baixo custo e boas características físicas, como, por exemplo,

alto calor específico e baixa viscosidade.

Após sua utilização, podemos eliminar a água do sistema ou então resfriá-la

e reaproveitá-la.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

74

Page 75: Utilidades CC

Os sistemas de tratamento da água de refrigeração podem ser classificados em

três categorias:

sistema aberto;

sistema semi-aberto de recirculação;

sistema fechado.

A escolha entre estes sistemas depende dos fatores abaixo:

quantidade de água disponível;

qualidade da água;

temperatura da água;

tipo de operação;

tamanho do equipamento;

limitações da qualidade do efluente industrial, etc.

(e.1) Sistemas abertos

Sistemas abertos, ou de passagem única (“once-through”), são aqueles cuja

água de refrigeração, após passar pelos equipamentos, não mais retorna a eles.

Ela é descarregada no local de origem ou em outro local.

Por causa do grande consumo, este sistema somente é utilizado quando existe

suficientemente disponibilidade de água. Refinarias, indústrias químicas e usinas

termelétricas quando localizadas no litoral muitas vezes utilizam água do mar

como meio de resfriamento.

Apresenta como desvantagem a impraticabilidade do tratamento químico da água

para a prevenção de problemas de corrosão e de incrustação devido ao custo

excessivo do tratamento e do lançamento de produtos químicos poluentes no

local de despejo. Além disso, a poluição térmica resultante da descarga de

grandes volumes de água quente pode tornar-se problemática em muitas

regiões.

(e.2) Sistemas semi-abertos de recirculação

São aqueles em que a água que circula pelos equipamentos é refrigerada em uma

torre de resfriamento, ou outro sistema aberto ao ar, e retorna para posterior uso,

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

75

Page 76: Utilidades CC

já a uma temperatura adequada.

Este sistema consiste na reutilização da água de resfriamento depois de resfriada

na torre de resfriamento, seguindo um círculo fechado, no qual se adiciona apenas

uma pequena quantidade de água de reposição (“make- up”) destinada a cobrir as

perdas que se verificam durante o ciclo.

Este tipo de sistema é utilizado quando a vazão de água requerida é grande e a

disponibilidade de água é limitada. Suas principais vantagens são:

Segurança no fornecimento de água fria;

Pequena reposição de água em cada ciclo, apenas para substituir a que se

perde por respingos, drenagens e vazamentos;

Possibilidade de emprego econômico e eficaz de tratamento para água.

(e.3) Sistemas fechados

São aqueles em que a água circulante pelos trocadores de calor é refrigerada por

meio de um outro fluido que não entra em contato com a água. Este sistema

permite manter a água de refrigeração em temperaturas mais baixas ou mais altas

que os anteriores.

(e.4) Termos usuais em sistemas de refrigeração

Purga

É a eliminação intermitente ou contínua de parte da água em circulação para

manter o teor de sólidos nela dissolvidos. Os vazamentos no sistema de

resfriamento e as perdas por arraste implicam menor quantidade de purga

necessária. A purga é expressa em porcentagem da água em circulação.

Faixa de resfriamento

É o quantum em °C ou °F de queda da temperatura da água da torre. É a

diferença entre a temperatura da água na entrada e na saída da torre.

“Approach”

É a diferença entre a temperatura da água fria na saída da torre e a

temperatura de bulbo úmido do ar junto à torre. Este valor é muito importante porque

representa a menor temperatura que pode ser obtida na água resfriada.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 77: Utilidades CC

Fe + H2O + ½ O2 -> Fe(OH)2

2Fe(OH)2 + H2O + ½ O2 -> Fe2O3 . 3H2O

Carga calorífica

É a quantidade de calor dissipado na torre. Calcula-se multiplicando a vazão pela

faixa de resfriamento.

Ciclos de concentração

Indica quantas vezes a concentração de sólidos na água em circulação é maior do

que a concentração de sólidos na água de reposição. Normalmente expresso em

concentração de cloretos.

(e.5) Não conformidades na água de refrigeração

Na água destinada à refrigeração, podermos ter as seguintes características não

desejáveis: corrosão, incrustação, depósitos, formação de algas ou deterioração da

madeira.

Corrosão

O ferro se corrói em água pura contendo oxigênio dissolvido, formando hidróxido

ferroso (escuro) e óxido férrico hidratado (ferrugem), de acordo com as equações:

As principais características da água que afetam sua corrosividade são a

quantidade de oxigênio dissolvido, o pH e o teor de sólidos dissolvidos e em

suspensão. Também a presença de CO2 e outros gases dissolvidos, bactérias

outros microorganismos exercem influência. Quanto aos fatores operacionais,

os principais são a temperatura e a velocidade da água.

Fatores que influenciam a corrosividade da água:

Oxigênio dissolvido – O oxigênio é um pré-requisito para haver corrosão. Isto

se aplica ao ferro, ao cobre, ao zinco, às ligas de cobre (latão, bronze) e à

maioria das ligas de níquel, que corroem mais depressa na presença de

oxigênio ou outros oxidantes.

Sólidos dissolvidos – De um modo geral, quanto maior a quantidade de sais

dissolvidos na água, maior sua corrosividade por causa do aumento da

condutividade elétrica. O íon cloreto, em particular, exerce um efeito acelerador

da corrosão, interferindo na formação de filmes protetores e inibindo a atuação de

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

77

Page 78: Utilidades CC

cromatos. A água do mar é, por este motivo, um dos mais energéticos agentes

corrosivos naturais.

Temperatura – Como em toda reação química, o aumento da temperatura

provoca aumento na taxa de corrosão do aço. Em sistemas abertos, ou seja,

sistemas em que o oxigênio dissolvido tem possibilidade de escapar para a

atmosfera, verifica-se que a taxa de corrosão cresce continuamente até 70, 80°C,

quando então passa a decrescer. A causa é que acima dessa temperatura, a

solubilidade de O2 na água diminui rapidamente e assim os teores de O2 dissolvidos

são cada vez menores. Por causa desse aumento na corrosividade da água com a

temperatura, é prática usual limitar a temperatura ao sistema de resfriamento em 50°C

(120°F).

Efeito do pH – O pH é um importante fator no controle da corrosão. Muitos

(mas não todos) metais são resistentes em soluções alcalinas (pH superior a 7),

mas são atacados em meios ácidos (pH inferior a 7).

Sólidos em suspensão – A água de refrigeração é, muitas vezes, uma fonte

de sólidos em suspensão, em forma de areias, matérias orgânicas, produtos de

corrosão, contaminação pelo processo, algas e lamas coloidais. Os sólidos ao se

depositarem no sistema aumentam muito a possibilidade de desenvolvimento de

corrosão localizada por aeração diferencial. Além dos problemas de corrosão que

acarretam, os sólidos em suspensão diminuem a eficiência da transferência dos

tubos, impedindo a unidade de continuar operando.

Corrosão-erosão - Erosão é o desgaste mecânico de um material metálico

produzido pela incidência direta de um fluido sobre sua superfície. Como

exemplos de equipamentos sujeitos à erosão, podemos citar as válvulas, bocais de

entrada e saída de vasos e permutadores, tubos e quebra-jatos de

permutadores, impelidores, curvas de tubulações, bombas, centrífugas, agitadores,

lâminas de turbinas, linhas de vapor, chicanas, etc. A corrosão- erosão é a

combinação do desgaste mecânico provocado pela erosão e ação química da

corrosão. O resultado final será um desgaste muito maior do que se apenas o

processo corrosivo ou erosivo agisse isoladamente. Este problema é comum em

equipamentos que operam sob condições de turbulência, fluxo em duas fases,

mudanças de direção ou quando há partículas sólidas no líquido. O fator mais

importante para o desenvolvimento da corrosão–erosão é a velocidade de

escoamento. A taxa de desgaste é, de forma aproximada, proporcional ao cubo

da velocidade. Em alguns casos, a velocidade de escoamento pode até diminuir

o ataque, permitindo que um inibidor atinja de forma mais eficaz a superfície metálica.

Assim, menos NaNO2 é requerido para proteger o aço em água potável quando a

velocidade é aumentada. Por outro lado, velocidades de escoamento muito baixas

também causam problema, pois podem levar à formação de condições de estagnação PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008

Quali f icAbastQual i f icAbast78

Page 79: Utilidades CC

em curvas, sob depósitos e em frestas, com acúmulo de sujeira e produtos de

corrosão. Nestas condições, criam-se áreas anódicas devido à aeração diferencial

e, daí, a corrosão localizada sob os depósitos.

Outros fatores que influenciam a corrosão são a dureza e angulosidade das

partículas sólidas, as características corrosivas dos fluidos, o pH da água, etc.

Depósitos e incrustações

Depósitos são constituídos de material fracamente aderido à superfície metálica.

Incrustações (“scale”) são formadas por material inorgânico duro e aderente.

Ambos causam vários problemas ao sistema de resfriamento, tais como:

Obstrução da água circulante, com a conseqüente diminuição da vazão

e aumento da temperatura do sistema e aumento da queda de pressão

requerendo maior potência gasta para bombear a água;

Formação de pilhas de aeração diferencial, provocando corrosão sob

depósitos;

Redução da eficiência nas trocas térmicas pelo fato de crostas e

depósitos serem isolantes;

Maior freqüência nas paradas para limpeza do sistema, ocasionando

perda de produção.

Depósitos são oriundos de uma ou mais causas, como as abaixo

relacionadas:

Sólidos em suspensão – Os sólidos suspensos na água tendem a

se depositar em regiões de baixa velocidade (inferior a 1m/s). Além

disso, partículas coloidais coagulam por aumento de temperatura,

formando depósitos.

Depósitos metálicos – Os Íons Cu2+ na água de resfriamento depositam

cobre metálico sobre tubos de aço, de acordo com: Cu2+ + Fe ® Cu

+ Fe2+. O cobre metálico depositado forma uma pilha galvânica com

o ferro vizinho e provoca pites. A origem da presença dos íons Cu2

na água pode ser tanto devido à corrosão de tubos e válvulas de

latão (ligas de cobre e zinco) como à adição de CuSO 4 usado

como algicida.

Produtos de corrosão - Íons de Fe2+ introduzidos pela água de

reposição ou formados por corrosão provocam depósitos volumosos

de óxidos férricos devido à oxidação pela água airada ou clorada de

acordo com: 2 Fe2 + 4OH– + H2O + 1/2 O2 -> Fe2O3 . 3 H2O.

Incrustações ou crostas são depósitos aderentes, precipitados ou cristalizados na

superfície de troca térmica. Mudanças físico-químicas na água fazem com que a PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008

Quali f icAbastQual i f icAbast79

Page 80: Utilidades CC

3

concentração de um sal exceda sua solubilidade numa dada temperatura,

provocando sua supersaturação e sua precipitação sob a forma de cristais.

Na fase de nucleação, os pontos de crescimento dos cristais aumentam, e após

um certo tempo de contato são formadas as incrustações. Com o passar do

tempo elas vão endurecendo e tornando-se aderentes e difíceis de remover. Uma

incrustação com 0,25mm de espessura é suficiente para reduzir o coeficiente de

transferência e calor no trocador em até 80- 90%. Daí a importância de sua

prevenção.

Os principais fatores que influenciam a formação de incrustrações são:

Aumento de temperatura – Muitos sais diminuem sua solubilidade com o

aumento da temperatura. O exemplo mais importante é o sulfato de

cálcio, que a 40°C é muito mais solúvel que o carbonato de cálcio (2.000

CaSO4 contra 40 ppm CaCO3), mas em temperaturas mais altas tem sua

solubilidade reduzida para a faixa 300-500ppm.

Aumento da alcalinidade – Em condições alcalinas, a solubilidade do CaCO3

diminui, aumentando sua tendência incrustante. Por outro lado, para pH < 6, a

crosta de CaCO3 é dissolvida : CaCO3 + H2SO4 CaSO4 + CO2 + H2O.

Baixa velocidade de fluxo – Permite maior tempo para a nucleação e para

o crescimento dos cristais, propiciando a formação de incrustação densa e

aderente.

A corrosão da tubulação aumenta sua rugosidade e permite o estabelecimento de mais

pontos de nucleação e crescimento de cristais. Isto favorece a formação de

incrustações. Da mesma forma, a atividade microbiológica permite a formação de

depósitos sob os quais ocorre, de forma localizada, corrosão por aeração diferencial,

o que também contribui para a formação de incrustações.

Principais agentes incrustantes:

Carbonato de cálcio – O carbonato de cálcio é o principal agente causador

de incrustações em sistemas de resfriamento. Quando a água é aquecida,

ocorre precipitação de CaCO3, que provoca incrustações nas tubulações.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

80

Page 81: Utilidades CC

Sulfato de cálcio – CaSO4 forma incrustações por aumento de temperatura,

uma vez que sua solubilidade cai rapidamente com a temperatura, tornando-o

supersaturado, provocando, então, sua precipitação.

Sílica – Presença de sílica solúvel, junto a sais de magnésio ou cálcio, forma

incrustações vítreas:

Na2SiO3 + Ca2+ -> CaSiO3 + 2 Na+ ;

Na2SiO3 + Mh2+ -> MgSiO3 + 2 Na+

Interferência dos organismos vivos nos sistemas de tratamento de água

Os organismos vivos que habitam a água interferem nos sistemas de água das

seguintes maneiras:

· Formação de limo nos trocadores de calor, tubulações, paredes de tanques, bacia

da torre e enchimento das torres. Estas colônias agem como isoladores de troca

térmica, provocam corrosão sob depósitos, ajudam a formação de pilhas de

aeração diferencial e absorvem sólidos suspensos para produzir os “biofouling”

que restringirão os fluxos de água nos sistemas;

· Redução da eficiência das torres de refrigeração pelas algas, cujo crescimento

pode bloquear tubos distribuidores de água nos tipos de fluxo cruzado e impedir

uma boa circulação de ar, pela formação de cortinas nas chicanas laterais;

· Formação de limo bacteriano nos filtros de areia, impedindo uma boa filtração e

reduzindo a eficiência da contralavagem;

· Interferência nas unidades de abrandamento ou desmineralização, por envolvimento

as resinas pela massa gelatinosa do limo, tendo como conseqüência uma troca

iônica prejudicada;

· Ataque à celulose da madeira pelos fungos, provocando um apodrecimento da

estrutura e do enchimento das torres;

· Corrosão do metal e concreto pelo crescimento de bactérias redutoras de sulfato,

enxofre, ferro, nitrificantes e desnitrificantes, dando como resultado corrosão

localizada, corrosão generalizada, tuberculação e deterioração do concreto.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

81

Page 82: Utilidades CC

2

Depósitos biológicos

A proliferação de algas, fungos, bactérias formadoras de limo e bactérias

modificadoras do meio ambiente pode causar problemas de deposição nos

trocadores, chegando, em certos casos, à sua obstrução. Além da diminuição na

transferência de calor e no fluxo de água, eles podem propiciar a formação de pilhas de

aeração diferencial com intensa corrosão sob depósito.

A matéria biológica atrai outros tipos de depósitos em virtude de sua natureza adesiva,

tais como silt, lama, produtos de corrosão e outros precipitados inorgânicos, como

os de polifosfatos hidrolisados. O problema poderá ser agravado com o

aparecimento de bactérias anaeróbias, como as redutoras de sulfato, que geram

H2S e atacam os metais, gerando os sulfetos correspondentes conforme as

reações seguintes:

SO4 = bactérias S =

S = +2H2O H2S + 2OH

H2S + Fe FeS + H2

Águas ferruginosas, contendo elevadas concentrações de ferro divalente (Fe++), poderão

formar elevada tuberculação de ferro trivalente (Fe+++) pela ação das bactérias

ferro-oxidantes.

Na água do mar, além dos problemas acima relacionados, há a presença adicional

de protozoários, mexilhões e serrípedes que poderão formar depósitos

extremamente duros e aderentes.

Deterioração da madeira das torres

A madeira é constituída essencialmente de celulose, lignina e extratos naturais.

A celulose é a parte fibrosa que confere sua resistência; a lignina aglutina estas

fibras; e os extratos naturais e substâncias orgânicas impedem o apodrecimento

prematuro da madeira. O enchimento e a estrutura de madeira das torres de

refrigeração estão sujeitas a três tipos de ataque: químico, físico e biológico.

Ataque químico – O ataque químico à madeira é dirigido diretamente à

lignina, sendo os agentes causadores do ataque as lixívias alcalinas e os

agentes oxidantes fortes. A lignina se solubiliza, e resta à madeira

apenas a celulose em seu aspecto fibroso. O ataque poderá ser superficial ou

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 83: Utilidades CC

profundo, conforme o tempo de exposição, os valores de pH utilizados e as

concentrações dos agentes oxidantes.

Ataque físico – O ataque físico poderá ser decorrente de elevadas

temperaturas ou de erosão por partículas em suspensão. As temperaturas

altas são responsáveis pela remoção dos extratos naturais e facilitam o

ataque biológico.

Ataque biológico – Os hidratos de carbono constituem fonte de nutrição

para os fungos. Os basidiomicetos e fungos imperfeitos são os

microorganismos mais diretamente relacionados a este problema. A

deterioração biológica pode acontecer tanto na parte externa como na

parte interna da madeira. Neste último caso, o apodrecimento é mais

difícil de ser tratado. Os fungos filamentosos da família dos Aspergillus,

Penicillium, Mucor, Fusarium e Alternaria são responsáveis pela destruição

superficial da madeira. As leveduras da família dos Torulas e

Saccharomyces são responsáveis pelo descoramento da madeira. Os

basidiomicetos da família dos Porio e Lenzitos ocasionam o

apodrecimento interno da madeira.

(e.6) Objetivos dos tratamentos

Os tratamentos da água para caldeira têm o objetivo de prevenir problemas

causados por corrosão, incrustações, depósitos, formação de algas e

deterioração da madeira.

Inibidores de corrosão

O combate à corrosão em sistemas de resfriamento fechados e abertos com

recirculação é feito adicionando à água produtos químicos denominados

inibidores, que reagem quimicamente com o metal ou se absorvem nas

superfícies, prevenindo o processo corrosivo.

Conforme os inibidores interfiram na reação catódica ou anódica, podem ser

classificados em:

Anódicos;

Catódicos;

Mistos (associação de inibidores).

Os inibidores anódicos atuam polarizando as regiões anódicas pela formação de filmes

aderentes e insolúveis sobre a superfície do metal.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 84: Utilidades CC

Os inibidores catódicos atuam reprimindo reações catódicas, ou evitando o contato

do oxigênio com o metal que se quer proteger. São classificados como inibidores

catódicos o zinco, os polifosfatos e os fosfonatos orgânicos.

Controle de depósitos e incrustações

Tratamento ácido – Normalmente, usa-se ácido sulfúrico (10%) para

manter o pH na faixa de 6 a 7, para evitar incrustações, adicionando

inibidores para controlar a corrosão.

Tratamentos alcalinos – Ao contrário do anterior, neste tipo de

tratamento trabalhamos na faixa de pH onde a corrosividade da água

é menor, consumindo, assim, menor quantidade de inibidor de

corrosão. Por outro lado, nessa faixa a tendência à incrustação é

maior, requerendo a adição de inibidores de incrustação. Estes

inibidores são produtos que atuam impedindo a precipitação de sais

incrustantes de Ca (carbonato, sulfato) e Mg (hidróxido), quando

utilizados em quantidades muito menores que as estequiométricas. Os

principais são os polifosfatos e os fosfonatos.

Tendência corrosiva ou incrustante da água

Equilíbrio na dissolução e deposição de CaCO3:

O entendimento da estabilidade do carbonato de cálcio constitui um

recurso valioso para avaliar a agressividade da água. A dureza na água de

recirculação deve-se ao bicarbonato de Ca++ (e outros sais de Ca e

Mg). Com a elevação de temperatura ocorre a seguinte reação:

Ca (HCO3

)2 CaCO3

+ CO2

+ H2

O

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 85: Utilidades CC

Em água não estável, supersaturada, este CaCO3 pode vir a se depositar

sobre a superfície do metal, formando uma camada fina que servirá como

proteção contra a corrosão; porém, com o aumento da espessura deste

depósito, haverá formação de incrustações que poderão acarretar

problemas na troca térmica e entupimento de tubos. Por outro lado, caso

não haja nenhum depósito, haverá tendência para corrosão.

A Figura 5 mostra esta seqüência.

Figura 3 – Deposição de CaCO3

Controle da qualidade da água em circulação:PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008

Quali f icAbastQual i f icAbast85

Page 86: Utilidades CC

Inibição de corrosão

A água utilizada nos sistemas de refrigeração do tipo aberto com recirculação

poderá apresentar tendência à incrustação ou corosão nas superfícies dos

equipamentos (tubulações, tubos dos trocadores de calor, etc.) A tendência à

incrustação ou corrosão da água em circulação pode ser conhecida através da

determinação do “Índice de Saturação do Cálcio” (pH-pHS), cujo cálculo foi

desenvolvido pelo professor W. F. Langelier, da Universidade da Califórnia, nos

Estado Unidos.

O valor de pHS (pH de saturação do carbonato de cálcio) é determinado pela

seguinte expressão:

pHS = (9,3 + A + B) – (C + D)

Onde:

A = f (sólidos dissolvidos totais);

B = f (temperatura);

C = f (dureza em cálcio);

D = f (alcalinidade total).

Os valores A, B, C, D são encontrados em tabelas.

Calculando-se valor de IS = pH – pHS, em que o valor pH refere-se à água

em circulação, pode-se ter três condições:

IS < 0 : A água em circulação tem características corrosivas.

IS = 0 : A água está estabilizada (não corrói nem incrusta).

IS > 0 : A água em circulação tem características incrustantes.

Na prática, procura-se manter IS negativo, indicando uma tendência corrosiva da

água em circulação. Porém, são utilizados os chamados inibidores de corrosão,

dentre os quais os mais freqüentes são o polifosfato de sódio e o bicromato de

sódio. A eficiência de inibidores com estes produtos ocorre a um pH de água

entre 6,5 e 7,5.

A ação do inibidor consiste na formação de uma película protetora muito fina,

de grande resistência e flexibilidade, não havendo interferência alguma nas

trocas de calor. Esta película impede a reação de corrosão anódica:

Fe° Fe++ = 2 . e

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

86

Page 87: Utilidades CC

Além da aplicação dos inibidores, deve-se manter uma velocidade razoável da

água dos equipamentos, a fim de evitar depósitos, com conseqüente formação

de pites profundos.

Além dos aspectos relativos à corrosão metálica, a água não deverá atacar a

madeira dos elementos de contato. O ataque à madeira poderá ser: químico,

físico ou biológico. Para preservar a madeira é prevista a injeção de um

biocida, a fim de prevenir o ataque biológico. A injeção prévia de cloro na água

bruta, na estação de tratamento de água, previne também o ataque biológico.

Biocidas

Os biocidas e biostáticos são compostos químicos tóxicos utilizados em águas

de refrigeração com o propósito de eliminar ou inibir o crescimento de

microorganismos indesejáveis, de tal forma que não causem danos ao processo de

troca térmica.

Existem algumas considerações relacionadas com o uso de biocidas que devem

ser observadas, tais como:

custo operacional baixo nas concentrações efetivas;

conhecimento de suas características tóxicas;

não ser volátil;

ausência de inflamabilidade e caráter explosivo são desejáveis a fim

de propiciarem seguro manuseio;

possuir um largo espectro de ação com a finalidade de atuar com

eficiência sobre diferentes tipos de microorganismo, entretanto, sendo

inócuo ao homem e a outros animais;

alto grau de degradabilidade é necessário, para evitar problemas com

os efluentes.

Os biocidas utilizados em refrigeração são de dois tipos básicos, os oxidantes e

os não-oxidantes. Os oxidantes mais utilizados são o cloro gasoso, os

hipocloritos de sódio e cálcio, e o dióxido de cloro. Os tipos não-oxidantes são

agentes de superfície ativa, como os sais quaternários de amônia e sais de

fenol clorado, os organossulfurosos, como o metileno bis-tiocianato e o dimetil

ditio-carbonato, além dos compostos organoestanosos.

Cloração

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 88: Utilidades CC

O cloro e seus compostos são biocidas do tipo oxidante. São os mais utilizados

no controle do crescimento microbiológico da água. Se a taxa de aplicação de

cloro é aumentada até tornar-se suficiente para a oxidação das cloroaminas,

haverá um repentino decréscimo no cloro residual livre até um ponto onde ele

voltará a crescer. Este ponto é chamado de “break-point”.

A temperatura, o valor do pH e a matéria orgânica exercem grande influência

na eficiência bactericida das soluções de cloro ou hipoclorito. Como a ação

esterilizante do cloro deve-se principalmente ao ácido hipocloroso, o valor de pH

indicado para a cloração deverá estar situado entre 6 e 7, onde as

concentrações de ácido hipocloroso são elevadas e o valor de pH não interfere em

diferentes tipos de tratamento.

A velocidade de esterilização aumenta com a temperatura, entretanto, como o

cloro tem sua volatilização elevada nestes casos, seu consumo será

extremamente alto e antieconômico. Doses de 3 a 5ppm normalmente são

suficientes para destruir a matéria orgânica nos sistemas e manter um residual de

cloro livre de 1ppm necessário para eliminar algas, bactérias e fungos.

A aplicação do cloro deverá ser feita durante a madrugada ou ao anoitecer

com o propósito de evitar que a ação da luz consuma cloro além do

necessário.

Dosagens de até 30 minutos deverão ser feitas em um período e, em casos

críticos, em dois períodos, mantendo-se, no retorno de água para a torre, um

residual de cloro livre de 1.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 89: Utilidades CC

[Sistemas térmicos e de ar comprimido

(a ) Sistema s térmicos

(a.1) Vaporização da água

Quando uma quantidade de calor é fornecida a uma determinada massa de água à

pressão constante, observa-se um aumento da temperatura da água até que se

inicie o processo de vaporização. A partir deste ponto, não é observada mudança de

temperatura até que a vaporização se complete, quando, então, qualquer calor adicional

implicará superaquecimento do vapor. A Figura 1 a seguir ilustra o processo de

vaporização da água a pressão atmosférica.

Em pressões mais altas a vaporização ocorre a temperaturas mais altas. Para cada

pressão de saturação teremos uma correspondente temperatura de saturação e

vice-versa. Estes valores podem ser encontrados nas tabelas de vapor saturado.

Figura 1 – Vaporização da água

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 90: Utilidades CC

(a.2) Propriedades do vapor d’água

Título

É a relação entre a massa de vapor e a massa total de líquido mais vapor. Só

existe na mistura água mais vapor e varia de 0 (líquido saturado) até 1 (vapor

saturado seco).

Entalpia

É a quantidade de calor armazenado por uma substância (em kcal/kg). A entalpia

do vapor é a quantidade de calor fornecida à água para aquecê-la, vaporizá-la e

superaquecê-la. Os valores de entalpia podem ser obtidos no Diagrama de Mollier.

(a.3) Cuidados no manuseio do vapor

Vapor de alta pressão pode ser ouvido, mas não visto. Além disso, vazamentos de

vapor de alta pressão podem cortar objetos sólidos.

Figura 2 – Jato de vapor

O vapor pode danificar os selos das bombas e

instrumentos. Bloqueie ou contorne os

equipamentos que possam ser danificados.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

90

Page 91: Utilidades CC

Vapor pode se condensar a 1/1600 do seu volume

original. Esta redução em volume pode causar

vácuo elevado. Abra “vents” para evitar isto.

Se estiver drenando um vaso em que esteja

sendo injetado vapor, assegure-se que a

vazão de vapor seja maior que a

condensação mais vazão de drenagem.

O uso de vapor é um modo freqüente de adicionar

água ao óleo aquecido sem intenção, tanto por injeção

direta como por meio de vazamentos em serpentinas.

Tome precauções apropriadas para prevenir

transbordamento devido à formação de espuma.

A aplicação súbita de vapor em equipamentos frios pode

causar ruptura do equipamento por choque térmico

ou martelo hidráulico. Abra o vapor lentamente.

O aquecimento por vapor pode originar tremendas

pressões em vasos ou tubulações completamente cheios

de líquidos e bloqueados. Esteja certo de que há um

espaço de vapor adequado ou mecanismo de alívio

de pressão antes de iniciar o aquecimento.

Vapor d’água pode gerar eletricidade estática.

Tome precauções apropriadas, tais como

Aterramento para reduzir as faíscas.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

91

Page 92: Utilidades CC

O vapor é quente. Tubulações não isoladas podem

ser fontes de sérias queimaduras.

O vapor se respirado pode produzir queimaduras

no pulmão ou sufocamento. Tome cuidado

com descargas de vapor em ambientes fechados.

Conexões de vapor para vasos e equipamentos

podem representar sérios riscos para o pessoal de

manutenção e inspeção de equipamentos.

Desconecte ou raqueteie as linhas de vapor antes

De entrar em vasos e equipamentos.

Sempre abra a válvula de exaustão de uma

turbina a vapor antes de abrir a válvula de entrada

de vapor.

(a.4) Distribuição do vapor

Utilização e características

O sistema de distribuição de vapor é um conjunto de vias de transporte de

energia que interliga os pontos de produção e de utilização. Nesse sistema, a

tendência é de haver sempre uma dissipação, de forma irreversível, de parte da

energia transportada.

Para que haja uma movimentação do vapor dentro de uma tubulação, é

necessário que exista uma diferença de pressões. Toda vez que houver um

fluxo de vapor no interior de um tubo, haverá atrito entre o vapor e as paredes

do tubo. Daí a necessidade de existir uma diferença de pressões. Como

conseqüência, quando se necessita uma determinada pressão e/ou temperatura

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

92

Page 93: Utilidades CC

no ponto de utilização, deve-se prever o que acontecerá durante o transporte

desse vapor desde o ponto de produção.

Exemplo:

Considere-se uma caldeira produzindo vapor saturado a uma pressão de

8kgf/cm2, o qual será utilizado a 200m de distância. Dificilmente, pode-se dispor de

uma pressão maior que 7,5kgf/ cm2 no ponto de consumo devido às perdas

por atrito.

A energia tende sempre a deslocar-se dos pontos de temperatura mais alta

para os de temperatura mais baixa. Ou seja, quando existe uma diferença de

temperatura entre dois pontos, haverá fluxo de energia entre eles no sentido da

maior para a menor temperatura.

Assim, uma tubulação instalada no meio ambiente e transportando vapor implica

uma transferência de energia do vapor para o meio ambiente (mesmo que o tubo

esteja isolado), pois a temperatura no interior do tubo será sempre maior que a

externa.

Portanto, para um sistema de distribuição de vapor funcionar satisfatoriamente,

devemos minimizar tanto as perdas de pressão (perda de carga) quanto as

perdas de calor por transferência.

Esse ponto ótimo, com boa performance e perdas mínimas, é conseguido

através de um bom dimensionamento das tubulações.

Uma tubulação subdimensionada trabalhará com velocidades muito altas,

ocasionando perdas de carga muito grandes e, em casos mais críticos,

até mesmo falta de vapor no ponto de consumo. É sabido que

tubulações trabalhando com velocidades muito altas sofrerão erosão e,

conseqüentemente, terão um desgaste prematuro.

Uma tubulação superdimensionada solucionará os problemas de perda

de carga e sempre entregará para o consumo a quantidade necessária

de vapor. O inconveniente, nesse caso, é ter custos mais altos de

tubulação e isolamento térmico As velocidades internas serão baixas,

propiciando perdas por condensação. Em alguns casos, pode até

ocorrer “martelo hidráulico”.

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

93

Page 94: Utilidades CC

Redução de pressão

Dispondo de uma caldeira gerando vapor a uma determinada pressão, conforme

o grau de superaquecimento, estará sendo atendida uma necessidade de energia do

processo naquela temperatura. Considera-se, no entanto, uma possível mudança

ou expansão da produção, que passe a demandar outro nível de temperatura

para seu funcionamento. Na hipótese desta temperatura ser mais alta que a

fornecida pelo gerador de vapor, investimentos em outros geradores ou formas

de aquecimento tornam-se inevitáveis. Mas, na hipótese do nível de temperatura

ser menor, o uso de vapor à pressão menor que a gerada é,

conseqüentemente, mais econômico.

Níveis de pressão

Ao optar pela existência de outros níveis de pressão, a complexidade do

sistema de vapor estará sendo aumentada. Assim, a escolha dos níveis de

pressão existentes deve ser feita de acordo com alguns critérios.

Numa indústria de porte médio para grande existem, no mínimo, três níveis de

pressão de vapor, chamados de vapor de alta, média e baixa ou exausto. O

vapor de alta será gerado pelas caldeiras da indústria, e, portanto, o que

deverá ter a maior vazão e atenderá às necessidades mais críticas de pressão

e temperatura do processo. O de nível médio será gerado a partir do anterior,

por turbinas e válvulas redutoras, atendendo também às necessidades de

aquecimento do processo.

O vapor de baixa ou exausto é, em geral, produto do uso dos níveis acima

para movimentação de máquinas, devendo ser usado em processos de

aquecimento , quando possível. Todos os níveis devem ter pressão

razoavelmente constante para todos os usuários. Portanto, as turbinas devem

descarregar vapor em condições de pressão e temperatura idênticas por toda a

indústria. Quando isto não for possível, mais um nível de pressão será

introduzido no sistema, com coletores próprios e válvulas redutoras ligando-o

aos outros níveis. Sempre que o processo necessitar de níveis de pressão ou

temperatura diferentes dos disponíveis, a mesma providência deverá ser tomada.

Quanto aos níveis de vapor, o vapor de alta, como mencionado anteriormente, deverá

ser escolhido considerando as necessidades mais críticas de pressão e

temperatura do processo.

Por questões de disponibilidade de materiais, tecnologia e equipamentos, os

níveis de pressão de alta situam-se em torno de 40, 60, 80 ou 120kgf/cm2.

Esta escolha também deverá levar em conta os aspectos de custos PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008

Quali f icAbastQual i f icAbast94

Page 95: Utilidades CC

operacionais (tratamento d’água, por exemplo) e de investimento inicial, que são

invariáveis com a pressão de geração.

Como regra geral, deve-se atender às necessidades do processo, com alguma folga,

conforme os custos. O vapor de média também deve atender ao processo,

mas deverá existir um compromisso maior entre custo e otimização do uso da

energia, considerando as possibilidades de uso de turbinas versus válvulas

redutoras.

Em termos de custos operacionais, é mais proveitoso reduzir a pressão de

vapor através de uma turbina do que através de uma válvula. O nível de vapor de

baixa será praticamente uma conseqüência dos equipamentos e níveis usados

nas pressões superiores. Porém, quando da escolha das turbinas que irão gerá-

lo, devemos evitar o uso de níveis de pressão muito baixos e próximos à

região de saturação. Caso o vapor de baixa esteja nestas condições,

dificilmente poderá ter utilidade motora (turbinas), ficando restrito a aquecimento,

e estando próximo da saturação, formará condensado rapidamente, podendo

inundar a linha e sobre- carregar o sistema de vapor.

Controle de pressão

Para se obter vapor em pressão menor que a gerada, usam-se válvulas redutoras.

Estas válvulas controlam o coletor de menor pressão, permitindo a passagem

do vapor de alta pela válvula, e conseqüente redução.

Ao passar pela válvula o vapor mantém seu conteúdo energético, e com a redução da

pressão, a temperatura do vapor praticamente não decresce (decréscimo

insignificante), ficando seu valor além do desejado para o processo. Para

reduzir esta temperatura, é comum que, após as válvulas redutoras, haja uma

injeção de água, chamada borrifo, da mesma qualidade da água de alimentação da

caldeira.

Outro modo de gerar vapor de menor pressão é usando uma das próprias

necessidades do processo industrial: a de acionadores para as máquinas.

Lançando mão de uma turbina de contrapressão, aproveita-se a diferença de

energia do vapor entre uma pressão e outra para gerar trabalho. Nesse caso,

devido à energia cedida à turbina, o vapor de saída, também chamado exausto,

estará enquadrado tanto em pressão quanto em temperatura, não havendo, na

maioria das vezes, necessidade de borrifo.

O uso de níveis de vapor diferentes implicará existência de equipamentos e

coletores projetados para suportar diferentes pressões. Desse modo, não deve PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008

Quali f icAbastQual i f icAbast95

Page 96: Utilidades CC

ser permitido de forma nenhuma que a pressão reinante num determinado nível

ultrapasse o limite máximo de resistência do material de construção. Para

garantir esta situação, todos os níveis de pressão devem dispor de válvulas de

segurança, que expulsam vapor para a atmosfera, quando estes limites

estiverem para ser ultrapassados.

Alívio de pressão – Além do simples controle de segurança da pressão,

também existe a preocupação quanto ao fechamento do balanço material de

vapor. O vapor oriundo das caldeiras passará por turbinas e válvulas, perdendo

pressão, aquecendo o processo, etc. Este vapor que entra deverá sair do

sistema sob forma de condensado e retornar à caldeira, para aproveitamento

energético. Caso haja o desbalanceamento das necessidades de vapor de um

nível perante outro mais baixo (por exemplo, muitas turbinas consumindo vapor

de média pressão e poucos consumidores para o vapor de baixa gerado),

haverá uma sobra de vapor no nível mais baixo. Este excesso irá provocar um

aumento de pressão neste nível.

Como o sistema estará funcionando, não há possibilidade de controle de

pressão pela abertura “pop” de uma válvula de segurança, que é momentânea. Assim,

surge a necessidade de outra válvula para controle de pressão nos níveis de

vapor menores, a válvula de alívio de pressão para a atmosfera. Esta válvula

será ajustada para a pressão máxima de operação do nível, atuando de

maneira contínua, descartando a quantidade de vapor necessária à manutenção

do equilíbrio naquele nível.

Vazamentos

A partir do momento que se produz e distribui vapor surgem preocupações

quanto à eficiência térmica e otimização deste sistema, porque lidam com um

insumo valioso, que é a energia. Um dos maiores problemas dos sistemas de vapor

são as perdas de vapor. Alguns são oriundos de necessidades do próprio

sistema, como o descarte para a atmosfera pelas válvulas de alívio, e outros,

por desgaste e deficiência de materiais e instalação, os conhecidos vazamentos

de vapor.

Além da perda de vapor, e conseqüentemente de óleo, e do aumento de custo

operacional inerente, os vazamentos de vapor também implicam:

nível de ruído excessivo na área industrial, gerando problemas de

condições de trabalho e higiene industrial. A maioria dos vazamentos

de vapor tem nível de ruído que os situa numa faixa sonora próxima

às turbinas de aviação.

perda de água tratada, aumentando os custos de operação da caldeira, pelo PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008

Quali f icAbastQual i f icAbast96

Page 97: Utilidades CC

aumento da reposição (e produtos químicos).

No caso de alívio de pressão, o problema deve ser solucionado pelo

gerenciamento do consumo de vapor nos vários níveis de pressão, evitando a

geração excessiva em um nível, sem necessidade de consumo. Este

gerenciamento deve ser realizado pela disponibilidade e operação de

acionadores de máquinas elétricas e a vapor.

No caso dos vazamentos, um programa de manutenção constante deve ser

executado, varrendo regularmente a área industrial, constando não apenas de

reparo, mas também de um acompanhamento técnico, propondo soluções e

melhorias de modo a contornar os pontos de vazamento crônico.

Descarte térmico

Em caso da queda ou outro problema relacionado com a caldeira, os gera-

dores não podem manter suas potências nominais de geração. Neste caso

talvez seja necessário um descarte elétrico provocado pela baixa na pressão de

vapor de alta. O descarte elétrico é uma função programada dentro do sistema

do SCMD. Neste caso o sistema SCMD iniciará imediatamente a sincronização

do sistema elétrico da refinaria com a linha da concessionária de energia

elétrica se não estivermos trabalhando em paralelo. Em certos casos de queda

de caldeira, poderá ser necessário parar o turbogerador.

Balanço termelétrico

É o resultado da configuração geral do sistema, ou seja, de racionalização do

uso de acionadores elétricos (motores) e acionadores a vapor (turbinas), de

modo que não existam excessos de produção de vapor em nenhum nível de

pressão (abertura de alívios) ou falta de produção de vapor em algum nível de

pressão (abertura de redutoras).

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Page 98: Utilidades CC

Figura 3 – Balanço termelétrico – diagrama simplificado

O sistema balanceado será o mais econômico possível quando as condensações

de vapor forem mínimas. Há um aspecto importante a considerar no que diz

respeito à opção recepção versus geração. A recepção de energia elétrica

implica geralmente consumo de energia elétrica, enquanto a geração implica

gasto de combustível. Atualmente, com a queima de resíduo asfáltico nos

geradores de vapor de alta pressão o custo da energia gerada se torna muito

mais competitivo, somando-se a isto temos o exce- dente da energia que é

vendida à concessionária local, contribuindo para a rentabilidade da planta.

(a.5) Condensado

Problemas devido ao condensado

A presença do condensado nas tubulações e equipamentos de vapor pode

trazer grandes prejuízos à operação e aos componentes do sistema. O

condensado não tem ação motora nem ação aquecedora eficiente. A entrada ou

a permanência do condensado nos aparelhos de aquecimento diminui

grandemente sua eficiência. Pode provocar vibrações e “golpes de aríete” nas

tubulações, quando empurrado pelo vapor em alta velocidade. Esses golpes

ocorrem, principalmente, nas mudanças de direção, em extremos e acidentes da

tubulação. Isso porque as velocidades usuais de projeto de linhas de vapor são

muito maiores (20 a 100 vezes) do que as usadas para a água, e o

condensado é incompreensível.

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Page 99: Utilidades CC

Pode causar a erosão rápida das palhetas das turbinas, devido ao impacto das

gotas de condensado que, por ventura, fossem carregadas pelo vapor para

dentro das turbinas.

O condensado também pode gerar corrosão ao absorver o CO2 ao misturar-se

com o ar presente nos ambientes por onde passa, formando o ácido carbônico

de alta ação corrosiva. Esta mistura com o ar e gases ambientes também

provoca queda de sua temperatura e eventual resfriamento do vapor.

Sua simples presença nas tubulações de vapor, independente de outros efeitos,

pode prejudicar o fornecimento de vapor na vazão necessária aos consumidores,

porque provoca a redução da seção transversal útil de escoamento do vapor,

ao acumular-se no fundo.

Formação do condensado

O condensado é formado nas tubulações de vapor e nos equipamentos que

consomem vapor por vários motivos. Em tubulações de vapor úmido, o

condensado forma-se por precipitações da própria umidade, e em tubulações de

vapor saturado, aparece em conseqüência das perdas de calor por irradiação ao

longo da linha. Também pode aparecer, em conseqüência do arraste de água,

proveniente da caldeira. Sua formação ocorre em maior escala no momento da

entrada em operação, quando todo o sistema está frio (warm- up) ou quando o

sistema é tirado de operação e o vapor condensa aos poucos no interior dos

tubos.

O condensado forma-se, também, em todos os aparelhos onde o vapor é usado

como meio aquecimento (serpentinas, refervedores, aquecedores a vapor,

autoclaves, estufas, etc.), como conseqüência do consumo da energia contida

nele pelo processo.

Purgadores

Os purgadores de vapor (steam-traps) são dispositivos automáticos que eliminam

o condensado formado nas tubulações de vapor e nos aparelhos de

aquecimento, teoricamente sem deixar escapar o vapor. Por essa razão, esses

aparelhos deveriam ser chamados, com mais propriedade, de “purgadores de

condensado”.

A maioria dos purgadores, além de removerem o condensado, eliminam também

o ar e outros gases incondensáveis (CO , por exemplo) que possam estar

presentes, sendo os dispositivos de separação mais importantes e de emprego

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Page 100: Utilidades CC

mais comum em tubulações industriais de vapor. São empregados em dois

casos típicos:

Para eliminação do condensado formado nas tubulações de vapor em

geral (drenagem de tubulações de vapor);

Para reter o vapor nos aparelhos de aquecimento a vapor (aquecedores a

vapor, serpentinas de aquecimento, autoclaves, estufas, etc.), deixando

sair apenas o condensado.

Devem ser colocados, obrigatoriamente, purgadores para drenagem de

condensado nos seguintes pontos de todas as tubulações de vapor:

Em todos os pontos baixos e de aumento de elevação (colocados,

nesses casos, na elevação mais baixa). Denomina-se ponto baixo

todos os trechos de tubulação, qualquer que seja o seu comprimento,

em elevação inferior aos trechos adjacentes.

Nos trechos de tubulação em nível, deve ser colocado um purgador a

cada 100m a 250m; quanto mais baixa for a pressão do vapor mais

numerosos deverão ser os purgadores.

Em todos os pontos extremos (no sentido do fluxo) fechados com

tampões, flanges cegos, bujões, etc.

Imediatamente antes de todas as válvulas de bloqueio, válvulas de

retenção, válvulas de controle e válvulas redutoras de pressão. Os

purgadores destinam-se, nesse caso, a eliminar o condensado que se

forma quando a válvula estiver fechada.

Próximo à entrada de qualquer máquina a vapor, para evitar a

penetração de condensado na máquina.

Os purgadores, instalados com a finalidade de reter o vapor em um aparelho

de aquecimento, devem ser intercalados na própria tubulação de vapor e

colocados o mais próximo possível da saída do aparelho.

A finalidade desses purgadores é aumentar, ao máximo, o tempo de

permanência do vapor dentro do aparelho, para que possa ceder todo o seu

calor

latente, até sair do equipamento como condensado. Se não houvesse o

purgador, o vapor circularia continuamente a alta velocidade, e para que a troca

de calor fosse eficiente, o comprimento da trajetória do vapor dentro do

aparelho (serpentina, feixe tubular etc.) teria de ser enorme. Não havendo o

purgador, tem-se, assim, um consumo exagerado com desperdício de vapor e,

conseqüentemente, um baixo rendimento global do sistema de aquecimento.

A instalação do purgador representa sempre considerável economia de vapor e, PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008

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Page 101: Utilidades CC

portanto, de combustível e de dinheiro, desde que sua seleção, projeto de

instalação e acompanhamento de vida útil operacional sejam adequados. Por

todas essas razões, é obrigatória a colocação de purgadores de vapor na saída

de qualquer aparelho de aquecimento a vapor.

Coletores de condensado

A capacidade de tubulações de condensado, como quaisquer outras de

transporte de fluidos, depende do diferencial de pressão aplicado nos pontos

extremos. Não é correto tratar linhas de condensado como se estas fossem

apenas “água quente”, uma vez que há gases presentes (ar, CO2 , etc.) e pode ocorrer

a reevaporação do condensado “flash”, com a queda de pressão ao longo da

linha. Também não é recomendado dimensioná-la como se fosse uma linha de

vapor de menor pressão, é antieconômico. O diâmetro da tubulação de

condensado deve se situar entre o valor da tubulação de vapor de baixa pressão

e a de água líquida nas mesmas condições. Estes parâmetros devem servir apenas

como balizamento para verificação do cálculo.

Um cálculo rigoroso do dimensionamento de tubulações de condensado deveria

levar em consideração a possibilidade de formação de escoamento bifásico

(líquido + vapor). No entanto, como um coletor de condensado pode receber

diversas contribuições, muitas vezes com características diversas de pressão e

vazões certamente variáveis, não é possível a determinação rigorosa do perfil

de pressões ao longo desta linha.

De qualquer forma, é preciso dimensionar linhas de condensado. Existem vários

métodos conhecidos em artigos e na literatura, como, por exemplo, um que conta com

vários anos de uso prático e tem valores razoáveis. Este método leva em conta

a perda de carga ao longo da tubulação e o caimento (mm de diferença de altura/m

de tubulação).

As tubulações de condensado devem ser projetadas para a vazão normal do

sistema em operação. O projeto, a partir de dados máximos (parada e partida),

pode levar a um superdimensionamento desnecessário e não justificável em

nível econômico.

Reutilização de condensado

A recuperação do condensado, nos sistemas de vapor, é realizada por motivos

de ordem econômica. O condensado é o próprio vapor gerado na caldeira, após

ter sido exaurido da maior parte de seu conteúdo energético. Para gerar este vapor, foi

necessário gastar, além do combustível, uma série de produtos químicos para

garantir qualidade ao vapor e proteção contra a corrosão da caldeira. Caso

este condensado fosse descartado, toda a água que entrasse na caldeira com PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008

Quali f icAbastQual i f icAbast101

Page 102: Utilidades CC

estes produtos químicos deveria ser tratada, numa taxa tão grande quanto a

produção de vapor. Além disso, mais combustível seria gasto para aquecer a água à

temperatura do vapor.

Ao recuperar o condensado, reduzem-se os gastos de combustível, devido à

energia contida no condensado, que irá preaquecer a água de alimentação e

reduzir a quantidade de produtos químicos necessários.

Conforme os níveis de pressão existentes na indústria, antes de retornar o

condensado para a caldeira pode-se aproveitá-lo para gerar vapor, usando o efeito de

reevaporação. Dispondo de condensado a uma determinada pressão e levando-

o a um ambiente de pressão menor, parte dele irá tornar-se vapor, porque se

desloca o ponto de equilíbrio líquido-vapor para uma região em que a quantidade de

energia presente permitirá a vaporização. Caso a pressão de reevaporação seja uma

das disponíveis no sistema, mais vapor será gerado para este nível. Um

sistema de reevaporação consiste em um vaso onde ocorre a reevaporação “flash” do

condensado. E, alinhado pelo topo à tubulação do nível de pressão desejado,

contém tubulações para os condensados (alta e baixa pressão) e bombas para

recuperação de condensado de baixa pressão. Este vaso, normalmente, é um

vaso vertical com dispositivos internos para minimizar o arraste de condensado

pelo vapor formado. Existem chaves de nível que acionam as bombas, para

recolhimento do condensado que se acumula no fundo. O funcionamento dos

sensores de nível é fundamental para o bom funcionamento deste sistema,

caso contrário será introduzido líquido em outra tubulação de vapor, com os

mesmos efeitos negativos já descritos. A reevaporação deve ser restrita a

correntes de condensado limpo, isto é, que não tenham possibilidade de

contaminação durante sua formação, como por exemplo, a condensação de

linha de vapor.

No entanto, os sistemas de retorno de condensado podem apresentar

contaminação de várias fontes, como, por exemplo : resíduos metálicos; por

contaminações gasosas como CO2 e O2, óleo, graxas, etc.

Os metais envolvidos nesses problemas são, principalmente, o ferro das

tubulações e carcaças de trocadores de calor, cobre e ligas cuproníquel de

tubos de condensadores. Os gases são oriundos do ar atmosférico, presente

nas tubulações e equipamentos. Os óleos, graxas e outros - são oriundos de

vazamentos nos processos por onde o vapor passou durante o aquecimento. Este

condensado, antes de retornar à caldeira, deve ser tratado, visando à

eliminação destes ele- mentos, pelos mesmos motivos do tratamento da água

de alimentação, e também pelo risco operacional. O óleo presente nos tubos

de uma caldeira pode carbonizar na superfície do metal, levando a condições

de superaquecimento e escoamento com rompimento.PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008

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Page 103: Utilidades CC

Tratamento de condensado

Os dispositivos usados para remoção de contaminantes são as unidades polidoras de

condensado. Estas unidades são compostas de filtros mecânicos e

desmineralizadores. Os filtros mecânicos removem óxidos de ferro, cobre, óleos,

graxas e matérias em suspensão no condensado. Um método usual de filtração

mecânica do condensado é a utilização de velas de diatomita revestidas de

celulose. A diatomita é um material poroso que retém os resíduos e a celulose.

Por ser lipofílica, retém pequenas contaminações de matéria orgânica. A

camada de celulose satura periodicamente, devido ao acúmulo de matéria em

sua superfície. Esta celulose é retirada por um sistema de retrolavagem e

formada através de uma suspensão de celulose e água, no sentido normal do

fluxo. Após este filtro, deve ser instalado um filtro de carvão ativo, para reter

as substâncias que passarem pelo primeiro, como compostos orgânicos

dissolvidos, e propiciar uma proteção extra, dando mais tempo, no caso de

passagem de óleo em quantidade, no filtro de celulose.

Este sistema apresenta uma boa eficiência na retenção de pequenas

contaminações e resíduos. Os principais fatores que devem ser acompanhados na

operação são o diferencial de pressão no filtro e a presença de óleo no

condensado. Este parâmetro pode ser obtido por análise de laboratório ou, de

preferência, por analisadores em linhas.

Os filtros desmineralizados constam de um leito misto de resinas catiônicas e

aniônicas que removem as impurezas que se solubilizam no condensado.

Além das unidades polidoras que removem os contaminantes indesejáveis para

as caldeiras, há necessidade de se proteger as próprias linhas de condensado

de ataques corrosivos com injeção de aminas, que irão reduzir,

substancialmente, a formação de óxidos de ferro. As aminas voláteis, como a

morfolina e a cicloexilamina, que corrigem o valor do pH e combatem o CO2

são efetivamente usadas quando há pouco oxigênio dissolvido no condensado.

Nos sistemas em que há substancial infiltração de oxigênio e grande quantidade

de CO2 , usam-se aminas fílmicas, isto é, aminas que formam um filme repelente à

água sobre os metais. A formação se dá por absorção e a sua espessura não

tende a aumentar, em condições normais, com a injeção contínua da amina.

As aminas fílmicas mais usadas são a octadecilmamina e o acetato de octadecilamina.

Para a remoção dos gases dissolvidos, da mesma forma que na água de

alimentação, o condensado é injetado no sistema pelo desaerador.

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Page 104: Utilidades CC

(a.6) Isolamento térmico

A partir do momento que se lida com um fluido térmico, devemos ter a

preocupação com a temperatura de chegada do vapor d’água aos usuários, de

modo a garantir uma operação satisfatória e econômica para a indústria como

um todo. Neste contexto, encaixa-se o isolamento térmico de tubulação e

equipamentos.

Além da temperatura, precisamos do isolamento térmico para, por exemplo:

reduzir a formação de condensado em linhas e equipamentos;

conservar a energia, na geração de vapor (caldeira) e tubulações;

proteger pessoal;

reduzir a emissão de radiação térmica;

reduzir o ruído e a vibração.

Os materiais mais comumente usados em isolamento térmico nos sistemas de

geração e distribuição de vapor são:

fibras de lã mineral (mantas);

silicato de cálcio em tijolos (paredes) ou calhas (tubulações) rígidos;

fibra de vidro (mantas e calhas);

espuma rígida de polímeros orgânicos (formas especiais);

fibras e tijolos cerâmicos para altas temperaturas (paredes de fornalha).

Todos estes tipos de revestimento têm faixas de temperatura para aplicação,

coincidentes em vários limites, o que faz com que outros fatores, além da

condutividade, determinem sua escolha. Para temperaturas até 450ºC, a fibra de

vidro em várias formas e a lã mineral podem ser utilizadas. Nesta faixa

encontram-se, normalmente, as tubulações de distribuição de vapor

superaquecido até cerca de 100kgf/cm2.

O silicato de cálcio tem capacidade de isolamento recomendado até cerca de

800ºC, podendo ser utilizado nas mesmas aplicações acima e em outras ainda.

Sem contar os tijolos cerâmicos largamente empregados nas paredes de

fornalha, no isolamento de coletores de vapor e condensado em geral, os

materiais mais usados são o silicato de cálcio e a fibra de vidro.

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Page 105: Utilidades CC

Normalmente, o silicato de cálcio é mais barato, apesar de ter uma

condutividade térmica maior que a fibra de vidro, exigindo, portanto, maiores

espessuras para obtenção de efeitos similares. O silicato é fornecido sob forma

de tijolos e calhas, de várias espessuras padronizadas, que se adaptam à

superfície externa de equipamentos e tubulações, sendo fixados por fios ou fitas

de alumínio e encamisados comumente com papel aluminizado, folhas de

amianto ou ainda recobertos de cimento cerâmico isolante ou asfalto. Já a fibra

de vidro é fornecida sob a forma de placas ou mantas, que são aplicadas nos

equipamentos e também amarradas com telas ou fitas metálicas, recebendo

também um encamisamento.

A fibra de vidro apresenta um inconveniente muito grande à segurança

industrial, porque se trata de material inflamável, comparativamente ao silicato,

que é material inorgânico e incombustível.

(b) Ar comprimido

Um sistema de ar comprimido é composto por compressores de ar, um vaso

pulmão de ar de instrumentos, um vaso pulmão de ar de ser viço e um

secador de ar. Tipicamente, a pressão do ar comprimido (de serviço e de

instrumentos) é controlada em 7kgf/cm2. Para isso, a instalação possui certos

equipamentos especiais como: compressores com cilindros não lubrificados,

secador de ar com leito de alumina ou sílica gel e filtros.

Toda tubulação de distribuição é de aço galvanizado (coletores gerais ou

secundários), enquanto as linhas de controle são de cobre.

Tendo em vista sua aplicação, o ar comprimido pode ser classificado em:

Ar comprimido para instrumentos

Ar comprimido de serviço.

(b1. ) Ar comprimido para instrumentos

É o ar necessário para utilização na operação da instrumentação pneumática,

comando de válvulas, posicionadores de campo, etc. A fim de não prejudicar a

ação dos instrumentos, este ar precisa ser de alta pureza (isento de partículas

sólidas, óleo, etc.) e deve ser completamente seco (isento de umidade). Para

isto, este ar passa por filtros e colunas secadoras com leito de sílica gel, que

necessitam ser periodicamente regeneradas.

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Page 106: Utilidades CC

(b.2) Ar comprimido de serviço

É o ar comprimido para uso geral, utilizado no acionamento de ferramentas

pneumáticas, na agitação de produtos em tanques, como fluido de arraste em

ejetores, ou ainda na utilização em oficinas de manutenção, etc.

A figura a seguir mostra um diagrama de bloco da central de ar comprimido.

Figura 4 – Diagrama de bloco da central de ar comprimido

PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008PETROBRAS ABASTECIMENTO 2008Quali f icAbastQual i f icAbast

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Page 107: Utilidades CC

[Referências bibliográficas

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