O que são Desaeradores?
Desaeradores são tanques pressurizados de água de alimentação, também conhecidos como aquecedores de água de alimentação abertos. Eles são componentes essenciais em muitos sistemas de vapor e desempenham várias funções:
- Remover gases não condensáveis da água de alimentação da caldeira.
- Aumentar a temperatura da água de reposição ao entrar no sistema.
- Aumentar a temperatura do condensado antes de entrar na caldeira.
- Fornecer capacidade de armazenamento para água de alimentação tratada.
Existem dois tipos comuns de desaeradores: o tipo spray e o tipo bandeja (também conhecido como tipo spray-bandeja). Uma variação do tipo spray é o tipo spray-scrubber.
Desaerador
Sistemas de vapor de médio a grande porte requerem um desaerador para reduzir os níveis de oxigênio (O2) e dióxido de carbono (CO2) dissolvidos na água de alimentação da caldeira, ambos causadores de corrosão nos componentes do sistema se não forem removidos.
Os desaeradores realizam a desaeração aumentando a temperatura da água de alimentação, o que reduz a solubilidade dos gases não condensáveis, permitindo que sejam liberados da água. Uma vez que os gases dissolvidos são eliminados, a probabilidade de corrosão é significativamente reduzida, permitindo que a água de alimentação seja enviada para a caldeira.
O Processo de Desaeração
O processo de desaeração pode ser realizado de forma mecânica ou química. Os desaeradores fornecem a solução mecânica, enquanto produtos químicos oferecem a solução química.
Um desaerador típico remove quase todo o oxigênio dissolvido e CO2, com o restante sendo eliminado por sequestradores de oxigênio (sulfito de sódio, hidrazina etc.) e sequestradores de CO2 (aminas neutralizantes, bicarbonato etc.).
A maioria dos desaeradores é projetada para reduzir os níveis de oxigênio dissolvido para 0,05 cc/l (7 ppb), com sequestradores de oxigênio removendo o restante.
Por que remover oxigênio e dióxido de carbono?
Corrosão dos componentes da caldeira expostos à água ocorrerá se o oxigênio dissolvido estiver presente ou se o pH da água for baixo.
As caldeiras e seus sistemas auxiliares são em sua maioria construídos de aço carbono. Como o aço é à base de ferro e o oxigênio reage com o ferro para formar óxido de ferro vermelho (ferrugem), o potencial para corrosão é alto. Por esta razão, é imperativo que o conteúdo de oxigênio dissolvido na água de alimentação da caldeira seja o mais baixo possível.
A quantidade de dióxido de carbono dissolvido na água dita quão ácida a água é. Quanto maior o CO2 dissolvido na água, menor o pH da água, ou seja, mais ácida a água é. Valores baixos de pH causarão corrosão das partes da caldeira e, consequentemente, devem ser evitados. Uma caldeira típica operará com um valor de pH entre 8 a 11 (aprox.), mas isso depende muito do sistema da caldeira.
A taxa de corrosão não depende apenas dos níveis de oxigênio dissolvido e dióxido de carbono dissolvido, mas também da temperatura. Altas temperaturas causam altas taxas de corrosão, mesmo com pequenas quantidades de gases dissolvidos. Por esta razão, sistemas de vapor de baixa temperatura podem tolerar níveis muito mais altos de oxigênio dissolvido e dióxido de carbono do que sistemas de alta temperatura.
O que é corrosão?
A corrosão pode ser classificada como geral, localizada ou por tensão.
Corrosão geral ocorre dentro de um único componente do sistema ou em todo o sistema, e geralmente é considerada corrosão leve. Uma fina camada de óxido vermelho cobrindo as superfícies de transferência de calor do lado da água de uma caldeira é um exemplo de corrosão geral. A corrosão geral é frequentemente vermelha (óxido de ferro) ou preta (óxido de magnetita) em cor. Se as superfícies metálicas do lado da água estiverem vermelhas, o metal está corroendo e ações corretivas devem ser tomadas. Superfícies pretas são desejadas, pois o óxido de magnetita impede mais corrosão.
Corrosão localizada refere-se à corrosão dentro de uma área específica; este tipo de corrosão é geralmente moderado a extenso. Pitting de oxigênio (pequenos buracos em uma superfície metálica causados por corrosão) é um exemplo de corrosão localizada. O pitting de oxigênio geralmente ocorre onde quer que as fases de água e vapor se encontrem (linha d'água na caldeira ou desaerador), ou sob sedimentos que se depositaram em algum lugar do sistema.
Corrosão por tensão ocorre em áreas de alta tensão. Altos níveis de cloreto, choque térmico e alto pH podem causar corrosão por tensão. A corrosão por tensão causada por altos níveis de pH é referida como fragilização cáustica. A corrosão por tensão causada por choque térmico é referida como corrosão por fadiga.
Sistema de Desaerador
As caldeiras geram vapor que é entregue ao processo. Parte do vapor transfere sua energia para o processo e condensa; a água resultante é chamada de condensado. O condensado é coletado em todo o sistema de vapor e é retornado a um tanque de armazenamento central, que é ou um tanque de água de alimentação atmosférico, ou um tanque de água de alimentação pressurizado (desaerador).
Desaerador Spray
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Água de reposição substitui as perdas de água dentro do sistema. As perdas de água podem ser uma parte inevitável do processo, por exemplo, limpeza a vapor de garrafas de vidro na indústria de alimentos comestíveis, ou, podem ser devido a vazamentos ou perdas por evaporação etc.
Quando o condensado chega ao tanque de água de alimentação, é chamado de água de alimentação, pois é então alimentado para a caldeira. Da mesma forma, quando a água de reposição entra no tanque de água de alimentação, é então chamada de água de alimentação.
Sistemas com baixos retornos de condensado devem adicionar continuamente grandes quantidades de água de reposição. Continuamente adicionar água de reposição introduz mais água não tratada no sistema em comparação com o reuso de condensado que já foi tratado. Por essas razões, um desaerador é muito mais provável de ser instalado em um sistema com baixos retornos de condensado do que em um com altos retornos de condensado. Deve-se notar que sistemas com baixos retornos de condensado terão custos operacionais maiores devido ao maior consumo de água, maior consumo de calor/energia (a água deve ser aquecida antes de entrar na caldeira) e maior consumo de tratamento químico.
A solubilidade dos gases dissolvidos na água reduz à medida que a temperatura da água aumenta. Para elevar a temperatura da água de alimentação da caldeira, é fornecido vapor de baixa pressão. O vapor transfere seu calor para a água de alimentação até que a água de alimentação se aproxime de seu ponto de saturação (ponto de ebulição). À medida que a água se aproxima de seu ponto de saturação, o nível de oxigênio dissolvido se aproxima de zero. Em usinas de energia, o vapor fornecido é frequentemente vapor residual das turbinas a vapor.
A Solubilidade dos Gases Reduz à Medida que a Temperatura Aumenta
Os gases dissolvidos liberados pelo processo de desaeração são ventilados para a atmosfera juntamente com pequenas quantidades de vapor. Um ventilador típico usará uma placa com um orifício para controlar a taxa de ventilação do gás. Se o orifício for muito grande, o vapor será ventilado, o que reduz a eficiência geral da planta (devido à redução na eficiência do ciclo de vapor) e aumenta os custos. Se o orifício for muito pequeno, alguns gases podem retornar à água de alimentação, o que também é indesejável.
Dosagem química ocorre na linha de entrada de reposição, dentro do desaerador, ou entre o desaerador e a caldeira. Os produtos químicos necessários, sua quantidade e onde a dosagem deve ocorrer, dependem do design do sistema. Por exemplo, a água de reposição fornecida de uma planta de osmose reversa (RO) terá um pH baixo e deve ser tratada antes de entrar no desaerador.
Componentes do Desaerador
Um desaerador é um vaso de pressão não aquecido. Os desaeradores são tipicamente fabricados em aço carbono, embora algumas indústrias - como a indústria farmacêutica - usem aço inoxidável. O vaso de pressão é cilíndrico em forma com o mínimo possível de soldas e penetrações.
Anexados ao desaerador estão conexões para os vários sistemas que ele serve e outros apêndices necessários para operar o desaerador. Conexões e apêndices comuns do sistema de desaerador incluem:
- Entrada de vapor de baixa pressão.
- Entrada de água de reposição.
- Entrada de condensado.
- Saída de água de alimentação.
- Válvula de alívio de segurança (SRV).
- Coluna de água ou sifão.
- Visor de nível.
- Sensor de controle de nível.
- Linha de drenagem (para manutenção).
- Tubo de transbordamento (design de não retorno).
- Ponto de injeção química.
- Flanges para medidores (medidores de pressão e temperatura etc.).
Conexões do Desaerador de Bandeja
Um desaerador pressurizado operará a aproximadamente 5 psi a 230°F (imperial), ou 0,4 bar a 105°C (métrico). A água de alimentação do desaerador será mantida o mais próximo possível da temperatura de saturação para reduzir o nível de gases dissolvidos o máximo possível, mas sem que a água mude de fase para vapor. Se a água de alimentação exceder sua temperatura de saturação, ela começará a formar vapor e será condensada ou ventilada para a atmosfera, ambos indesejáveis.
Como Funcionam os Desaeradores
O vídeo abaixo é um extrato do nosso Curso Online de Introdução a Vapor, Caldeiras e Termodinâmica.
Existem dois designs comuns de desaeradores, spray e bandeja (spray-bandeja). Cada design tem suas próprias características operacionais. Independentemente do design empregado, ambos os designs de desaeradores:
- Maximizam a área de contato entre a água e o vapor para obter uma alta taxa de transferência de calor.
- Confiam no contato direto entre o vapor e a água (geralmente bandeja, spray, borbulhamento ou uma combinação destes).
- Empregam bicos de spray.
- Utilizam vapor como fonte de calor.
- Agitam a água usando vapor.
- Podem ser montados no topo de um tanque de armazenamento de água de alimentação.
- São frequentemente fabricados com os mesmos materiais.
- São abertos/ventilados para a atmosfera.
Embora os desaeradores spray sejam frequentemente montados no topo de tanques de água de alimentação, eles também podem ser instalados dentro do tanque de água de alimentação. Um desaerador montado acima de um tanque de água de alimentação aparecerá ou como um pequeno tanque conectado por um tubo ao tanque de água de alimentação, ou, como um dome ou coluna vertical, montado diretamente no tanque de água de alimentação.
A água de reposição passará pelo desaerador quando entrar no sistema. O condensado pode ou não passar pelo desaerador, dependendo de sua condição ao retornar ao tanque de água de alimentação. Os designs de desaeradores variam porque cada sistema de vapor tem requisitos únicos.
Como Funcionam os Desaeradores de Bandeja
A água entra no desaerador e enche a caixa de água. A caixa de água é uma área de retenção temporária que garante que a água seja alimentada uniformemente através de uma série de bicos de spray, depois para o desaerador.
Cada bico de spray atua como uma válvula de não retorno e fechará se a caixa de água tiver pressão de água insuficiente. Para garantir longa vida útil, os bicos de spray, a área de spray circundante e as bandejas são todos construídos em aço inoxidável.
Desaerador Spray Bandeja
Uma vez que a água passa pelos bicos de spray, ela entra em contato direto com o vapor. O vapor flui em uma direção contrária à da água. À medida que o vapor aquece a água, os gases dissolvidos são liberados. A quantidade de gases dissolvidos presentes reduz à medida que a água desce por cada bandeja sucessiva. As bandejas superiores são referidas como bandejas de aquecimento, ou bandejas de primeira etapa. As bandejas inferiores são referidas como bandejas de desaeração, ou bandejas de segunda etapa. A água então sai da área da bandeja e é descarregada para o tanque de água de alimentação.
Gases dissolvidos e algum vapor são constantemente descarregados através do ventilador. Um desaerador típico ventilará entre 5% a 15% do vapor que passa pelo desaerador. Como o vapor custa dinheiro para gerar, é benéfico ventilar o mínimo de vapor possível.
Aproximadamente 90% a 95% da desaeração ocorre dentro da área de spray, com grande parte do restante ocorrendo na área da bandeja. A água mecanicamente desaerada é geralmente projetada para reduzir o conteúdo de oxigênio para 7 partes por bilhão (ppb). Qualquer oxigênio restante na água de alimentação é removido usando produtos químicos sequestradores de oxigênio (sulfito de sódio, hidrazina etc.).
Como Funcionam os Desaeradores Spray
Condensado e água de reposição entram na caixa de água diretamente acima dos bicos de spray; os bicos de spray são carregados por mola. A pressão da água faz com que os bicos se abram e a água seja pulverizada no desaerador. Pulverizar a água no desaerador garante uma grande área de contato entre a água e o vapor, o que garante uma boa transferência de calor entre os dois fluidos (fluidos são definidos como líquido ou gás).
Desaerador Spray Scrubber
A água sai dos bicos e passa por uma grande bandeja circular perfurada antes de se juntar à água no tanque de água de alimentação. Um tubo de sparge/sparger de vapor submerso distribui vapor para as seções de pré-aquecimento e desaeração do desaerador. O vapor aquece a água a cerca de 2°C (aprox. 4°F) de sua temperatura de saturação para garantir que o máximo de gases condensáveis sejam liberados da água.
A água aquecida então passa por uma placa defletora para alcançar a seção de desaeração, e é descarregada como água de alimentação aquecida e desaerada.
Como Funcionam os Desaeradores Spray Scrubber
Os scrubbers spray funcionam de maneira semelhante aos desaeradores spray, mas têm um scrubber instalado. A água entra em uma caixa de água, é pulverizada através de bicos de spray, depois drena através de uma bandeja e é direcionada para um scrubber.
Os scrubbers utilizam vapor para agitar (usando bolhas de vapor) e aquecer a água após ela sair da área de spray do desaerador. O contato próximo com o vapor garante uma boa transferência de calor e rápida liberação de gases dissolvidos. A água desaerada então se acumula no tanque de água de alimentação e está pronta para uso como água de alimentação da caldeira.
Desaerador Spray Scrubber
Considerações de Design
O tipo de desaerador escolhido para um sistema de vapor depende fortemente do sistema. Alguns sistemas são efetivamente sistemas de circuito fechado que requerem muito pouca água de reposição (1-3%); outros sistemas requerem grandes quantidades de água de reposição. A temperatura do condensado retornado também é um fator que deve ser considerado.
Comparação de Sistemas de Vapor
Um sistema de vapor de usina de energia que fornece vapor para turbinas a vapor tem as seguintes características:
- Opera dentro de um sistema fechado e, portanto, requer pouca água de reposição.
- Não está exposto à atmosfera, então há pouca chance de entrada de gás.
- Retorna condensado a uma temperatura próxima ao ponto de saturação da água e, portanto, contém baixas quantidades de oxigênio e dióxido de carbono.
Um sistema de vapor de planta de polpa de papel tem as seguintes características:
- Opera dentro de um sistema aberto com retornos de condensado tipicamente inferiores a 50%. Consequentemente, os requisitos de água de reposição para o sistema são tipicamente 50% ou mais.
- Está exposto à atmosfera, então gases se tornarão entranhados no condensado.
- A redução de pressão e temperatura é grande, o que aumenta a solubilidade dos gases na água.
Ponto de Entrada do Desaerador
O condensado dentro de um sistema fechado pode passar por bicos de spray ao entrar no desaerador, ou não. Se o condensado estiver próximo ao seu ponto de saturação, então pode ser entregue diretamente ao tanque de água de alimentação em vez de passar pelo desaerador.
A água de reposição é quase sempre passada por bicos de spray ao entrar no desaerador, isso é para reduzir o risco de choque térmico e garantir que todos os gases dissolvidos sejam removidos ao entrar no sistema.
Grandes Retornos de Condensado
A temperatura, pressão e condição desaerada em que o condensado é retornado são importantes, mas o volume que é retornado é importante por várias razões. Sistemas com retornos de condensado proporcionalmente grandes têm as seguintes vantagens:
- Utilizam pouca água de reposição, levando a uma redução nos custos operacionais.
- Recebem condensado que é quase sempre mais quente do que a água de reposição, então menos calor deve ser aplicado para que atinja sua temperatura de saturação. Isso resulta em maior eficiência térmica do sistema e redução nos custos operacionais (menos calor necessário significa menos combustível necessário para a caldeira).
- Menos dosagem química necessária porque os produtos químicos não são descartados do sistema. O tratamento químico da água não é barato, então a água que já foi tratada deve permanecer no sistema pelo maior tempo possível.
Tamanho do Tanque de Água de Alimentação
Os tanques de água de alimentação conectados aos desaeradores fornecem uma quantidade armazenada de água de alimentação da caldeira tratada que pode ser usada para lidar com flutuações na demanda de vapor. Um tanque típico de água de alimentação da caldeira conterá água suficiente para alimentar um sistema de vapor totalmente carregado (caldeira ou caldeiras) por aproximadamente 10 a 15 minutos. Para sistemas críticos, a reserva é aumentada e/ou um desaerador adicional será frequentemente instalado. Construir redundância no sistema é referido como:
n+1 redundância do sistema
Onde n é a quantidade de maquinário ou equipamento necessário para a operação segura da planta e o número indica a quantidade da reserva. Usinas nucleares frequentemente operam com n+2 em todos os equipamentos críticos da planta.
Localização do Tanque de Água de Alimentação
Bombas de água de alimentação da caldeira são instaladas diretamente após o tanque de água de alimentação da caldeira. Esses tipos de bomba são frequentemente centrífugas, ou centrífugas de múltiplos estágios em design. Bombas centrífugas geralmente não são autoescorvantes e não podem bombear gases, portanto, é imperativo que a água de alimentação fornecida não mude de estado/fase para vapor.
Bomba Centrífuga
A água de alimentação é armazenada a uma temperatura próxima ao seu ponto de saturação para garantir que quantidades muito baixas de gás dissolvido estejam presentes. Se a pressão do sistema reduzir, a água pode se transformar em vapor, e isso causaria a perda de sucção das bombas a jusante do tanque (em casos extremos). Por esta razão, tanques de água de alimentação (e desaeradores) são instalados em uma elevação mais alta na planta do que as bombas. À medida que a água sai do tanque de água de alimentação, sua pressão aumenta e o risco de a água mudar de estado reduz.
Além do risco de perder sucção, bolhas de vapor dentro da água podem se formar e colapsar à medida que passam pelo impulsor da bomba. A formação e colapso ocorrem devido à diferença de pressão de sucção e descarga. Embora essa condição seja relativamente inofensiva em pequenas quantidades, torna-se um problema se a frequência aumentar, ou seja, milhares de vezes por segundo. À medida que as bolhas de vapor colapsam, elas causam danos às superfícies metálicas circundantes e gradualmente corroem as peças. Com o tempo, um impulsor pode literalmente ser 'comido'. Esse fenômeno é conhecido como cavitação.
Se uma bomba estiver sofrendo cavitação, é facilmente identificável porque soará como se bolinhas de gude estivessem passando pela bomba. Veja o curso de Introdução a Bombas Centrífugas, ou manuais associados se você quiser aprender mais.
Cavitação
Manutenção
A manutenção do desaerador deve ser realizada apenas por profissionais treinados. Uma inspeção anual da caldeira é um requisito estatutário na maioria dos países industrializados. Esta inspeção anual serve como uma oportunidade ideal para realizar tarefas de manutenção do desaerador.
As tarefas de manutenção associadas aos desaeradores variam dependendo do design, mas algumas tarefas comuns devem ser realizadas em todos os desaeradores:
- Inspeção visual de todas as superfícies internas do desaerador e do tanque de água de alimentação. O foco da inspeção é principalmente visual, com ênfase em localizar quaisquer rachaduras, incrustações e/ou corrosão. A interface água-vapor (localização da linha d'água no tanque de água de alimentação) é frequentemente uma área onde ocorre corrosão.
- Teste não destrutivo (NDT) de soldas propensas a rachaduras. As técnicas de NDT usadas são frequentemente teste de penetrante de corante (PT), teste ultrassônico de onda de cisalhamento (UT); teste de partículas magnéticas (MT) e/ou inspeção de partículas magnéticas fluorescentes úmidas (WMFT).
- Sedimentação, ou qualquer acúmulo de materiais dentro do tanque de água de alimentação deve ser removido e uma amostra enviada para um laboratório para teste. A fonte do material deve ser identificada.
- Desmontagem de acessórios e montagens do desaerador (conforme necessário). Os medidores devem ser verificados quanto à precisão. Manifolds ou tubos conectados à instrumentação devem ser verificados quanto a restrições e bloqueios.
- Dispositivos de transbordamento e dispositivos de alívio devem ser verificados, calibrados ou substituídos conforme necessário.
- Flutuadores de nível e sensores de nível devem ser testados para garantir que ambos os circuitos mecânicos e elétricos estejam operando conforme o esperado.
- Os bicos de spray devem ser verificados quanto à corrosão e as molas testadas manualmente para garantir seu funcionamento. Um teste verdadeiro dos bicos de spray só pode ser realizado ao testar sob pressão hidrostática.
- Conexões de flange ou conexões de tubo com vazamento devem ser mantidas.
Além das tarefas de manutenção mencionadas acima, tarefas adicionais mais frequentes devem incluir:
- Inspeção diária da instalação do desaerador e do tanque de água de alimentação. A inspeção deve ser não evasiva. Os inspetores estão realizando uma 'inspeção sensorial' com a intenção de identificar quaisquer anomalias, por exemplo, gaxetas com vazamento, ruídos altos, leituras de medidores falsas etc.
- Inspeção visual diária do ventilador para garantir fluxo constante e regulado.
- Inspeção visual diária e entradas no log da pressão e temperatura do desaerador. Dados de tendência ao longo do tempo permitem que anomalias e problemas sejam rapidamente identificados.
- Verificação frequente do nível do tanque de água de alimentação da caldeira.
- Análise frequente, ou constante, da água de alimentação da caldeira. Altos níveis de oxigênio e/ou dióxido de carbono indicam que o desaerador não está funcionando conforme o esperado.
Independentemente do design do desaerador, o fabricante deve sempre ser consultado ao criar um plano de manutenção do desaerador. Documentação significativa (manuais, catálogo de peças de reposição etc.) também é fornecida pelo fabricante como parte da compra do desaerador.
Recursos Adicionais
https://en.wikipedia.org/wiki/Deaerator