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A IMPORTÂNCIA DO CONTROLE DE pH EM TORRES DE RESFRIAMENTO UTILIZADAS EM PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS

Pereira, Gustavo1

Duarte, Paulo2

RESUMO

O estudo foi idealizado tendo como referência as disciplinas de operações unitárias e química geral, para melhorar o desempenho do tratamento de água. O Objetivo principal do estudo é controlar pH em torres de resfriamento, devido a emissão de gases poluentes oriundas de chaminés normalmente localizadas próximas a estas torres de resfriamento. Dos gases poluentes emitidos pelas chaminés o SOx é o gás mais agressor para sistema uma vez que ele em contato com água gera uma reação formando o H2SO4 (ácido sulfúrico) acarretando sérios problemas de corrosões nas metalurgias, tais como: furos nos trocadores de calor, manutenções em válvulas, drenos, ventiladores, enchimentos das torres, ocasionando paradas emergenciais do processo.

Desta forma um sistema para quantificar a taxa de corrosão através de corpos de prova, foi instalada na torre de resfriamento da empresa estudada, com o objetivo de avaliar o nível de corrosão, e determinar a instalação e a operação do controlador AEGIS, responsável pelo controle do pH através da dosagem automática de soda cáutica (NaOH), bem como monitorar a taxa de corrosão online.

O corpo de prova é confeccionando com material da mesma metalurgia da torre de resfriamento, desta forma instalada e exposta no ambiente interno da torre o qual após o período de avaliação programado é analisado quantitativamente pela diferença de seu peso inicial e final, resultando na degradação do material em mpy (milésimo de polegada por ano)

O controlador AEGIS é responsável pela medição e controle do pH, assim como o monitoramento da taxa de corrosão instantânea, mantendo um banco de dados de todas as informações o que permite avaliações estatísticas do sistema.

Palavra chave: pH; Corrosão; Controle;Operações Unitárias.

ABSTRACT

The study was conceived with reference as disciplines of unit operations and general chemistry, to improve the performance of water treatment. The main objective of the study is to control pH in cooling towers due to the emission of pollutant gases from chimneys normally located near these cooling towers. Of the polluting gases emitted by chimneys SOx is the most aggressive gas for the system once it in contact with water generates a reaction forming the H2SO4 (sulfuric acid) causing serious problems of corrosions in the metallurgies, such as: holes in the heat exchangers, Maintenance in valves, drains, fans, towers fillings, emergency stops of the process.

In this way, a system to quantify the corrosion rate through test specimens, was installed in the company's cooling tower, with the purpose of evaluating the corrosion level, and determining an installation and operation of the AEGIS controller, responsible for the pH control through the automatic dosing of NaOH, as well as monitoring the corrosion rate online.

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The specimen is made with material from the same metallurgy of the cooling tower, thus installed and exposed in the internal environment of the tower, which after the scheduled evaluation period is analyzed quantitatively by the difference of its initial and final weight, resulting in the degradation of the material in mpy (thousandths of an inch per year)

The AEGIS controller is responsible for pH measurement and control as well as instant corrosion rate monitoring, keeping a database of all information that allows you to view system statistics.

Key Words: pH;Corrosion; Control;Unit Operations.

1Graduando em engenharia química pela Faculdade Municipal Professor Franco Montoro (2017)

e-mail – [email protected]

2Engenheiro Químico graduado pela USP Lorena, especialização em Papel e Celulose - USP São

Paulo, MBA em Marketing pela escola ESPM, São Paulo. Experiência de 25 anos no setor de Papel e

Celulose, nas áreas de produção, técnica e comercial. e-mail: [email protected]

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1. INTRODUÇÃOApesar de atualmente existir diversas maneiras de controlar o pH em torres

de resfriamento a empresa alimentícia não adotava nenhum método de controle para sanar a pendência. Com isso a integridade e qualidade da performance dessa torre fica comprometida com a elevada taxa de corrosão. A contaminação resultante é gerada através da emissão de gases da chaminé dos processos produtivos que é absorvido pela torre pelo seu sistema de ventiladores. O estudo vem demonstrar a diferença do controle antes e após a instalação do sistema de automação.

Neste estudo será apresentado um sistema de monitoramento e controle com o objetivo de demonstrar a importância do controle do pH em uma torre de resfriamento e desta forma apresentar resultados que a partir do controle de pH na faixa neutra, a taxa de corrosão é minimizada, diminuindo desta forma paradas emergenciais do processo produtivo, acarretadas por substituições de tubulações, ocasionadas por contaminações e por furos nas tubulações.

Utilizando o controlador automático é possível medir e controlar o pH do sistema que envia sinal eletrônico para uma bomba dosadora para a dosagem ou não hidróxido de sódio, conforme a necessidade.

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2. REVISÃO BIBLIOGAFICA

2.1. Torres de resfriamento

As torres de resfriamento são utilizadas para promover contato entre a água e o ar, promovendo a troca de temperatura. Segundo KERN (1987) Estes equipamentos atualmente têm como finalidade a umidificação do ar ou para o resfriamento da água.

Uma torre de resfriamento tem como finalidade a troca de energia para resfriar água a partir do contato desta com o ar, conforme demonstrado na figura 1. Como a troca de calor acontece nas superfícies, é de alta importância que essas torres tenham a máxima superfície possível de água exposta ao ar. Isto pode ser obtido ao aspegir de água para obtenção de gotas ou pelo uso de “colmeias” inseridas dentro das torres (REIS, 2003). O ar ambiente e impulsionado contra a corrente de água que se encontra no topo e por meio deste contato, parte da água evapora e ocorre a perda de calor (CORTINOVIS E SONG, 2005). Este resfriamento causa concentrações de sais dissolvidos e o surgimento de partículas em suspensão, podendo gerar problemas como corrosão e incrustações.

Figura 1: Circuito semi-aberto Torre de Resfriamento

(Fonte: PONTREMOLEZ, 2009)

“À medida que cai ao longo da torre, a água entra em contato com o ar evaporando-se parcialmente. A água resfriada em certo volume é acumulada na bandeja inferior, de onde volta para o processo e novamente reutilizada como fonte fria. Para esta concepção torna-se necessário para se conseguir melhores resultados, que as torres de circulação natural fossem bastante altas e situados em ângulo reto em relação aos ventos dominantes”. (MANCUSO,2001)

Grande parte dos processos industriais tem como foco à remoção de calor para fins controle de temperatura. Quando esgotadas todas as possibilidades de uso dessa energia, esta deve ser descartada para o ambiente sendo os meios mais comuns para sua eliminação o ar e a água (SMITH, 2005).

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2.2.Tipos de torre de resfriamento

Conforme MANCUSO (2001) a tecnologia das primeiras torres de resfriamento foi de ventilação natural. Possuía baixa eficiência e concepções simples. Nesses pioneiros dispositivos, a água era recalcada até seu topo e soprada por bicos, aumentando sua área de contato com a corrente de ar, cuja vazão era controlada por venezianas localizadas nas paredes laterais.

À medida que caia ao longo da torre, a água entrava em contato com o ar evaporando-se parcialmente. Ainda conforme MANCUSO (2001) a água resfriada em certo volume era acumulada na bandeja inferior, de onde voltava para o processo e novamente reutilizada como fonte fria. Essa concepção tornava necessário para se conseguir melhores resultados, que as torres de circulação natural fossem bastante altas e situadas em ângulo reto em relação aos ventos dominantes.

2.2.1. Torres com ventilação natural e “enchimento”

Com o passar do tempo verificou-se que a introdução de obstáculos no seu interior permitindo um aumento na eficiência e grau de nebulização, intensificando a troca de calor entre a água e o ar, de acordo com a figura 2.

Figura 2: Torres com ventilação natural e “enchimento”

(Fonte: site Soluções Industriais)

A introdução do conceito de “enchimento” reduziu significativamente os custos de construção, com a mesma dissipação de calor, utilizando torres menores. Nesses equipamentos ocorriam perdas grandes de água, pois as gotículas dispersadas por arraste através das venezianas, correspondiam a cerca de 0,3 a 1,0% da vazão da torre. A partir do final da Segunda Guerra Mundial a popularidade das torres com circulação natural de ar declinou, sendo substituídas por torres de circulação mecânica de ar, com tiragem forçada ou induzida.

2.2.2. Torres de resfriamento com tiragem forçada

De acordo com MELLO (2011) estas torres utilizavam um ventilador localizado na base, ou nos lados da torre, para forçar o ar a entrar horizontalmente, e após subir para encontrar as gotículas descendentes de água.

Posteriormente, dispositivos que eliminam de gotículas de água colocados no topo da torre, diminuíam a quantidade de água arrastada pela corrente de ar que

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sai. Torres de resfriamento com tiragem induzida Nessa concepção o ar é puxado para o interior da torre por meio de um exaustor localizado em seu topo ou em sua base de acordo com figura 3.

Para o primeiro caso, existem duas alternativas: tiragem induzida em contra corrente, onde o ar é dirigido para cima contra o fluxo das gotículas que caem sobre o enchimento, e a de tiragem induzida de fluxo cruzado onde o enchimento é colocado bilateralmente, logo à entrada do ar que passa pelo seu interior conforme MELLO (2011).

Figura 3: Torres de resfriamento com tiragem forçada

(Fonte: site Soluções Industriais)

2.3.O que é pH

pH significa "potencial Hidrogênio", uma escala logarítmica que mede o grau de acidez, neutralidade ou alcalinidade de uma determinada solução Conforme GUIMARAES e CABRAL (2013).

Este conceito foi introduzido em 1909 pelo químico dinamarquês Søren Peter LauritzSørensen. O pH varia de acordo com a temperatura e a composição de cada substância (concentração de ácidos, metais, sais, etc.).

A escala compreende valores de 0 a 14, sendo que o 7 é considerado o valor neutro. O valor 0 (zero) representa a acidez máxima e o valor 14 a alcalinidade máxima. Ainda de acordo com GUIMARAES e CABRAL (2013) os valores abaixo de zero ou superiores a 14 também podem ser verificados em algumas substâncias.

As substâncias são consideradas ácidas quando o valor de pH está entre 0 e 7 e alcalinas (ou básicas) entre 7 e 14. Abaixo algumas soluções e seus respectivos valores de pH:

- Vinagre: 2,9

- Coca-cola: 2,5

- Saliva Humana: 6,5 - 7,4

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Exemplos da escala de pH estão demonstrado na figura 4.

Figura 4: Escala de pH

(Fonte: site Mundo Educação)

2.4.Corrosão

A grande maioria dos materiais expostos ao meio ambiente forma um sistema termodinamicamente instável. Para alguns metais tais como alumínio, magnésio, cromo, etc., tal transformação implica numa grande redução da energia livre conforme exemplificado na figura 5.

Figura 5: Corrosão eletroquímica

(Fonte: site Scientia)

De acordo com a termodinâmica, os metais não poderiam ser utilizados numa atmosfera como a atmosfera terrestre. Entretanto, apesar da termodinâmica indicar a possibilidade de uma reação, não diz nada a respeito da velocidade com

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que esta reação ocorre. E é precisamente devido ao fato de que certas velocidades de reação são lentas que se podem utilizar os metais no cotidiano.

De acordo com Gentil (2003), os problemas de deterioração existem nas mais variadas atividades econômicas de uma nação, sendo conhecidos diversos casos na indústria petroquímica, naval, química, construção civil, automobilística, nos meios de transporte, em todas as etapas do sistema elétrico, em telecomunicações, em odontologia, obras de arte, monumentos históricos, etc.

A tabela 1 apresenta os tipos de materiais e respectivas corrosões.

Tabela 1: Corrosão eletroquímica

Material Tipo Exemplos

METAIS- Eletroquimica (Corrosão);- Quimica (Oxidaçao);

Nos países industrializados, 5% do PNB é usado em prevenção, manutenção e substituição.

CERÂMICAS- Dissolução química (deterioração);- Biodeterioração;

Mármore e concreto por ação do H2S e H2SO4, refratários em fornos (altas temperaturas e ambientes severos).

POLÍMEROS - Dissolução química (deterioração);- Biodeterioração;

A perda de elasticidade da borracha devida à oxidação por ozônio.

(Fonte: site Scientia)

Pela importância dos compostos metálicos no nosso dia-a-dia, a corrosão é um processo de degradação que deve ser analisado com todo o cuidado necessário por envolver custos e despesas (GENTIL, 2007).

2.5.Contaminação por SOx

A contaminação por SOx (Óxidos de Enxofre) é originada por uma combinação de gases emitido por uma chaminé industrial que possua o enxofre no seu processo produtivo. É muito comum em regiões industriais ou muito urbanizadas, essas emissões gasosas ricas em compostos de enxofre na forma de óxidos. Os óxidos de enxofre são conhecidos como SOx. Na maioria dos locais fabris é frequente as torres de resfriamento estarem alocadas muito próximas de seus respectivos processos de manufatura e, portanto das chaminés ficando assim altamente exposta aos gases.Estes gases são captados pelo ventilador e lavados no sistema acontecendo a reação geradora do ácido

O principal SOx gerado é o SO2, que, na presença do oxigênio da atmosfera, acaba por ser oxidado a SO3. SO2 e o SO3 formam as seguintes reações:

SO2 + H2O → H2SO3

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SO3 + H2O → H2SO4

O ácido formado faz com que o pH caia bruscamente prejudicando o sistema como todo e principalmente agredindo a metalurgia que acaba passando por corrosões severas. Essas corrosões acabam diminuindo a vida útil dos equipamentos do cliente, gerando assim grandes transtornos como paradas inesperadas, correções de tubulações, substituições das linhas de fluxo, furos nos trocadores de calor, manutenções em válvulas, drenos, ventiladores, enchimentos das torres, podendo ocorrer maior prejuízo com paradas de produção.

2.6.Estação de corpo de prova (ECP)

Os equipamentos de controle de corrosão da GE Water&Process Technologies fornece um meio conveniente de monitorar o progresso da corrosão em sistemas de resfriamento, exemplificado na figura 6. A Estação de teste funciona com entrada de água corrente pela lateral do sistema principal, em que os corpos de teste de corrosão podem ser expostos à água do sistema em condições controladas e reprodutíveis.Os corpos de corrosão podem ser periodicamente removidos e examinados visualmente ou devolvidos ao laboratório para determinação da perda de peso, taxa de corrosão e severidade.

Figura 6: ECP

(Fonte: GE water, acesso restrito a colaboradores)

2.7.Controlador para monitoramento do pH e corrosão instantânea

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Exemplo de um controlador, como demonstrado na figura 7, que tem a função de monitorar o pH através de um eletrodo, e então enviar sinal para uma bomba dosadora realizar a dosagem do químico. Para o estudo foi utilizado a soda cáustica (NaOH).

O mesmo também tem como função monitorar a taxa de corrosão instantaneamente através de uma sonda submersa na água do sistema de resfriamento.

Figura 7: Controlador

(Fonte: site do fabricante Aquatrac)

3. METODOLOGIA

O estudo de caso foi realizado numa empresa do ramo alimentício. Em uma das visitas realizadas a essa empresa em questão foi detectada em uma das torres de resfriamento um considerável grau de corrosão no corpo de prova, utilizado como parâmetro de analise.

Como solução para sanar esse problema foi realizada um estudo onde avaliamos que seria necessário, em campo, montar uma estrutura onde fosse capaz de mensurar a corrosão no sistema, controlar o pH e monitorar a taxa de corrosão instantânea.

Toda essa estrutura foi montada a partir de uma avaliação com Estação de Corpo de Prova (ECP) que determinou por dois meses consecutivos à perda de peso de corpos de provas de aço carbono assegurando que o sistema estava critico. Análises de ferro na água da torre também confirmaram uma corrosão elevada no sistema chegando até o teor de 15 ppm, sendo que o limite tolerável é de 3 ppm com base no manual do fabricante da torre de resfriamento (Marca Alpina).

A avaliação dos corpos de provas antes do controlador está demonstrada nas tabelas 2 e 3 e nas figuras 8, 9.

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Tabela 2: Avaliação do corpo de prova – fase 1

DADOS UNID. BSistema TORRE XReferência ZDD3112

Tipo de Metal AçoCarbono

Data de instalação 05/07/2016

Data de remoção 10/08/2016

Dias de exposição 35Taxa de corrosão (mpy) 7,4

(Fonte: Próprio autor)

Figura 8: Corpo de prova


Tabela 3: Avaliação do corpo de prova – fase 2

DADOS UNID. BSistema TORRE XReferência ZDD3113








4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Após dois meses de avaliação da criticidade do sistema realizamos a instalação do equipamento de monitoramento e controle demonstrado na figura 10.

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Instalado ao lado da torre de resfriamento; uma linha de PVC de 1” alimentou o controlador com água do sistema critico; o controlador iniciou o monitoramento e controle do pH de forma automática e continua; uma bomba dosadora de NaOH (soda) foi interligada ao controlador, a mesma recebia sinal através da leitura do pH enviando sinal para dosagem do alcalinizante.

Figura 10: Sistema de controle


No controlador também foi instalado uma sonda de corrosão de metalurgia de aço carbono para as leituras da taxa de corrosão.

A partir do controle efetivo do pH um banco de dados foi elaborado identificando a correlação da taxa de corrosão com a estabilidade do pH, que pode ser observado no gráfico 1.

A avaliação dos corpos de provas resultou na redução da taxa de corrosão, mantendo desta forma a metalurgia dos equipamentos sem corrosões severas.

A avaliação positiva dos corpos de prova estão demonstradas nas tabelas 4 e 5 e nas figuras 11 e 12.

Resultados positivos após controlador instalado:

Tabela 4: Avaliação do corpo de prova – após controle fase 1

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Tabela 5: Avaliação do corpo de prova – após controle fase 2

DADOS UNID. FSistema TORRE XReferência ZDD3167




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O gráfico elaborado à partir dos dados do controlador identifica a eficácia do sistema do monitoramento e controle do pH para o controle da corrosão. Os resultados demonstram desvios apenas aos finais de semana, quando o controle não foi realizado e desta forma o pH decrescia e a taxa de corrosão instantânea aumentava.

Gráfico de pH x Corrosão em dois meses

Gráfico 1: Gráfico pH x Corrosão

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5. CONCLUSÃO

A solução proposta que resultou na melhoria do sistema de resfriamento utilizando o processo de controle com ação de bomba dosadora de NaOH (soda cáustica) resultou em melhora significativa no processo de corrosão garantindo a estabilidade do processo e assegurando uma água com pH mais estável, minimizando desta maneira a corrosão, estendendo desta forma a vida útil dos equipamentos. O sistema instalado utilizando uma estação de corpo de prova e um medidor online de taxa de corrosão proporcionaram uma avaliação positiva da taxa de corrosão à partir da aplicação de NaOH (soda cáustica), demonstrando que a manutenção do controle do o pH na faixa neutra é fundamental para a não aceleração da corrosão evitando transtornos para empresa, com manutenções emergenciais e reflexos financeiros negativos na cadeia produtiva.

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6. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

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