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Tratamento químico de águas de caldeiras

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Tratamento químico de águas de caldeiras
Minicursos CRQ-IV 2008
Tratamento Químico de águas de caldeiras
Tratamento q
químico de
águas
g
de caldeiras
Conselho Regional de Química IV Região – Apoio: Caixa Econômica Federal
Minicursos CRQ-IV 2008
Tratamento Químico de águas de caldeiras
José Otavio Mariano Silva
• Extensa experiência nas áreas de
Tratamento de Águas
g
Industriais e
Especialidades Químicas
• Químico pela Universidade Mackenzie
• Físico pela Universidade de São Paulo
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Vinculações
Conselho Regional de Química 4
4ª Região
Amcham - Câmara Americana de Comércio
ABEQ - Associação Brasileira de Engenharia
Química
CTI - Cooling Technology Institute, Houston, USA
ABC - Associação Brasileira de Cosmetologia
ACS - American Chemical Society
Society, Washington
Washington,
DC, USA
SBF -Sociedade
S i d d Brasileira
B
il i de
d Física
Fí i
Conselho Regional de Química IV Região – Apoio: Caixa Econômica Federal
Minicursos CRQ-IV 2008
Tratamento Químico de águas de caldeiras
José Otavio Mariano Silva
Autor ou co-autor de numerosos trabalhos técnicos apresentados
e publicados no Brasil e no exterior sobre tratamento de águas
industriais:
Petrobrás
ABRACO -Associação Brasileira de Corrosão
IWC -International
International Water Conference
NACE - National Association of Corrosion Engineers
CTI - Cooling Technology Institute
ABC - Associação Brasileira de Cosmetologia.
Cosmetologia
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
ÁGUA: sua importância
„
Um dos 4 elementos da antiguidade: água, ar, terra e fogo.
„
Não há vida sem água: uma pessoa saudável pode viver até 30
dias sem comida, mas morrerá em uma semana sem água.
„
Consumo mundial: 2.270 km3 / ano
„
Reservas estipuladas pela ONU: mínimo de 2.000 metros
cúbicos / ano / p
pessoa;;
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
ÁGUA: escassez ou abundância ?
„
Planeta ÁGUA: 75% da superfície terrestre são cobertos
por água
1.4 bilhão de km3.
„
Porém apenas 3% são água doce!
„
Desta pequena porção, 2% estão congelados em geleiras,
calotas polares e neves eternas;
„
Conclusão: apenas <1% do total é água doce disponível!
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
ÁGUA: escassez ou abundância ?
„
Se toda a água do mundo coubesse em
um balde,
balde a água doce corresponderia a
apenas uma colher de sopa!
„
26 países,
í
abrigando
bi
d 250 milhões
ilhõ de
d
pessoas, já foram oficialmente
declarados pela ONU como áreas de
escassez crônica de água
água.
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Usos da água na indústria
Matéria prima (água de processo)
Geração de vapor (água de caldeiras)
Resfriamento
Uso doméstico (potável e sanitário)
Conseqüência
efluentes (águas residuárias)
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Geração de vapor- Requisitos
Especificações: definidas pela ABNT (Associação Brasileira de Normas
Té i
Técnicas)
) ou ABMA (A
(American
i
B
Boilers
il
M
Manufacturers
f t
A
Association)
i ti )
• Ausência de sais de dureza
• Mínima quantidade de silica
• Mínima
Mí i
quantidade
tid d de
d ferro
f
• Ausência de cloro
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Equipamentos: caldeiras, tubulações e trocadores de calor
• Construção: aço carbono, cobre, latão, aço
galvanizado, aços inoxidáveis
p ç
• Baixo preço
• Facilidade de construção e manutenção
• Bom condutor de calor
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Vapor e sua utilidade
Geração de energia elétrica nas usinas nucleares e termo-elétricas.
Indústrias químicas e petroquímicas.
Açúcar e álcool.
Papel e celulose.
Refinarias de petróleo.
Frigoríficos, abatedouros e curtumes.
Indústrias têxteis.
Cervejarias e bebidas.
Alimentos
Indústria naval.
Madeira e borracha
borracha.
Indústria de tintas e vernizes.
E praticamente todas os demais setores da indústria.
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
A água como meio ideal de
transmissão de calor
„
„
„
„
Baixo custo
Alto calor especifico
Abundância
Segurança
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
1G
1.Geração
ã de
d vapor
3.1 Caldeiras
Oq
que é uma caldeira?
Quais os tipos de caldeiras?
Como funcionam?
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Geração de vapor: caldeira aquatubular
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Geração de vapor: caldeira fogotubular
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
C
Causas
d
da formação
f
ã d
de incrustações
i
t õ em caldeiras
ld i
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
C
Composição
i ã d
da crosta
t tterrestre
t
Óxidos
Percentagem
SiO2
59.71
Al2O3
15.41
CaO
4.90
MgO
4.36
Na2O
3 55
3.55
FeO
3.52
K2O
2.80
Fe2O3
2.63
H2O
1.52
TiO2
0.60
P2O5
0.22
Total
99 22
99.22
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Contaminantes
da
água
Inorgânicos
carbonatos
bi b
bicarbonatos
t
Sulfatos
Cloretos
Nitratos
Cálcio
Magnésio
Ferro
Manganês
Sílica
Fluoretos
g
Orgânicos
Acidos húmicos
Taninos
Gases dissolvidos
Oxigenio
Cloro
Gás carbonico
Óxidos de enxofre (Sox)
Ó
Óxidos
de nitrogenio (Nox)
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Consequências da presença de contaminantes
Incrustação
ç
Corrosão
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Causas da formação de incrustações em caldeiras
•
Solubilidade dos sais
• Carbonato de cálcio reage com água saturada com gás carbônico, formando
bicarbonato de cálcio.
cálcio
• CaCO3 + CO2 + H2O → Ca(HCO3)2
• Ca
C (HCO3) 2 --------calor-------->
l
C CO3 precipitado
CaCO
i it d + H20 +CO
CO2
• A redução na solubilidade e subseqüente precipitação de sólidos é
conseqüência
co
seqüê c a de se busca
buscar os níveis
e s mais
a s está
estáveis
e s de e
energia
e g a de
dentro
t o do
sistema químico, do mesmo modo que a corrosão é conseqüência de o metal
sempre tender em direção a sua condição de mais baixa energia. As
incrustações e lamas podem portanto ocorrer devido a reações químicas que
levam aos compostos menos solúveis.
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Depósitos ou incrustações: definição e causas
•
•
•
•
•
Aderente e permanente
Contaminantes de processo
Presentes na água: areia, barro, limo e algas
Formados pela concentração de sais dissolvidos na
água: carbonatos, sulfatos, fosfatos, sílica, cálcio,
magnésio, ferro
Formados por produtos de corrosão: óxidos de ferro,
ferro
sais de zinco (white rust)
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Depósitos ou incrustações
•
Reduzem troca térmica
•
Facilitam a corrosão sob depósitos
•
Aumentam o fator de rugosidade e a perda
de carga em tubulações e trocadores de
calor
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Depósitos ou incrustações em caldeiras
R d ã d
Redução
da troca
t
térmica
té i
As perdas médias de calor, em função da espessura das incrustações,
são tabuladas a seguir:
ESPESSURA
% DE PERDA DE CALOR
0,50 mm..............................................................................................
mm..............................................................................................4
4%
0,75 mm..............................................................................................
mm..............................................................................................7
7%
1,00 mm...............................................................................................
mm...............................................................................................9
9%
1,25 mm.............................................................................................
mm.............................................................................................10
10%
%
1,50 mm
mm.............................................................................................
.............................................................................................13
13%
13%
2,20 mm.............................................................................................
mm.............................................................................................15
15%
%
2,70 mm.............................................................................................
mm.............................................................................................16
16%
%
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Depósitos ou incrustações em caldeiras
„
Redução da troca térmica
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Depósitos ou incrustações em caldeiras
„
Aumento no consumo de combustível
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Depósitos ou incrustações em caldeiras
•
Conseqüências:
•
Superaquecimento localizado
•
Ruptura de tubos sob pressão
•
E l õ
Explosões
•
Aumento no consumo de combustíveis
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Depósitos ou incrustações em caldeiras
Explosões
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Depósitos ou incrustações em caldeiras
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Depósitos ou incrustações em caldeiras
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Prevenção de depósitos em caldeiras
•
Pré--tratamento
Pré
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Prevenção
P
ã d
de depósitos
d ó it ou
incrustações em caldeiras
•
•
•
•
•
•
•
Remoção dos possíveis contaminantes
contaminantes::
Filtração
Abrandamento:: remoção dos sais de cálcio e
Abrandamento
magnésio
é i (dureza
d
dureza)
)
Deionização ou desmineralização
O
Osmose
reversa
Desaeração (mecânica ou química
química))
R
Remoção
ã de
d ferro
f
e manganês
ê (cloração,
cloração
l
ã ,
greensand e outros oxidantes
oxidantes))
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Filtração
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Abrandamento: remoção dos sais
de cálcio e magnésio (dureza)
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Abrandamento: como funciona
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Deionização ou desmineralização
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Osmose reversa
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Desaeração (mecânica ou química)
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Remoção de ferro e manganês (cloração,
greensand e outros oxidantes)
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Prevenção de depósitos em caldeiras
•
Tratamento químico
•
1 ª Patente
•
22 de dezembro de 1846 (Anthony
and Barnum): serragem de mogno
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Prevenção
P
ã d
de depósitos
d ó it em
caldeiras
• Tratamento químico
• Reagentes estequiométricos
estequiométricos::
• Precipitação dos sais de dureza
dureza:: fosfatos
simples
p
• 3Ca++ + 2PO4--- + → Ca3 (PO4)2
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Prevenção de depósitos em caldeiras
•
•
•
•
•
•
Tratamento químico
q
Reagentes estequiométricos
estequiométricos::
Precipitação dos sais de dureza
dureza:: fosfatos
complexos
10 Ca++ + 6 PO4--- + 2 OH-→ 3 Ca3 (PO4)2 .Ca(OH) 2
Hidroxiapatita
p
de cálcio
Vantagens:: não aderente
Vantagens
aderente,, fácil de remover por
purgas..
purgas
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Prevenção de depósitos em caldeiras
•
Tratamento químico
Reagentes não
não--estequiométricos
esteq iométricos
Poliacrilatos
•
Co--polímeros acrílico
Co
acrílico//maleico
•
P li l t
Polimaleatos
•
•
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Prevenção de depósitos em caldeiras
•
Tratamento químico
Reagentes não
não--estequiométricos
Fosfonatos
Pi
Pioneiro:
Pioneiro
i : ATMP
•
Hedp
•
Pbtc :
•
•
•
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
P
Prevenção
d
de depósitos
d ó i
em caldeiras
ld i
•
•
•
•
•
Tratamento químico
Reagentes não
não--estequiométricos
Derivados do ácido Poliepoxi
Poliepoxi--succínico (PESA)
Tendencia “verde”:
verde”: sem fósforo
fósforo,, sem nitrogênio
nitrogênio::
D i d do
Derivados
d ácido
á id poli
polili-aspártico
á ti
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Mecanismo de ação de dispersantes químicos
Figura 1 (água sem adição de dispersantes)
Figura 2 (água com 0.5 ppm de dispersantes)
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Prevenção de arraste de água da caldeira
Causas:
Causas:
• Alcalinidade elevada
• Sólidos dissolvidos
• Contaminantes
Contaminantes:: tensoativos,
tensoativos, matéria orgânica
• Sílica (acima de 40 kgf
kgf/cm
/cm2)
• Controle do ciclo de concentração
ç (p
purgas)
purgas
g )
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Corrosão: causas
•
•
•
•
•
Corrosão galvânica
Corrosão por oxigênio dissolvido
Corrosão por stress
Corrosão microbiológica (MIC)
A
Agravantes:
Agravantes
t : presença de
d íons
í
íons:
: cloretos,
cloretos
l t ,
amônia,, sulfetos
amônia
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Corrosão: formas
•
•
•
•
•
Ataque uniforme (raro na prática
prática))
Corrosão puntiforme (“pitting”)
Corrosão por erosão
erosão:: impacto e cavitação
Corrosão sob depósitos
Lixiviação:: retirada do zinco de latão
Lixiviação
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Prevenção de corrosão em caldeiras
Seqüestrantes de oxigênio
oxigênio::
•
S lfit de
Sulfito
d sódio
sódio:
ódi : 2Na
2N 2SO3 + O2 → 2Na
2N 2SO4
•
hidrazina:: N2H4 + O 2 → 2H2O + N2
hidrazina
•
DEHA: 4(C 2 H5) 2 NOH + 9O2 → 8CH3COOH + 2N2 + 6H2O
•
Hidroquinona: C 6 H4(OH) 2 + ½ O 2 → C 6 H4O 2 + H2O
•
Neutralizantes de vapor e condensado:
condensado: morfolina,
morfolina, ciclohexilamina,
ciclohexilamina,
octadecilamina
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Prevenção de corrosão em caldeiras
Seqüestrantes de oxigênio
oxigênio::
•
•
•
Produtos mais modernos
modernos::
Carbohidrazida (sem os riscos à saude da
hidrazina))
hidrazina
Ácido ascórbico
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Ataque uniforme (raro na prática)
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Corrosão puntiforme (“pitting”)
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Corrosão por stress, impacto e cavitação
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Corrosão sob depósitos
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Lixiviação: retirada do zinco de latão
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Prevenção de depósitos ou
incrustações em caldeiras
•
Exigencia legal : Norma Brasileira NR 13. item
13.3.3
•
A qualidade da água deve ser controlada e
tratamentos devem ser implementados,
implementados quando
necessários para compatibilizar suas
propriedades físico
físico-químicas
químicas com os parâmetros
de operação da caldeira. (113.018-8 /I4)
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Parâmetros de controle de água para caldeiras
Segundo ABNT e ABMA (AMERICAN BOILERS MANUFACTURERS ASSOCIATION)
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Automação
ç
• Sistemas automáticos
de dosagem: bombas de
pistão, diafragma, venturi.
• Drenagem (purga)
automática: temporizada,
ou por condutividade.
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Limpeza
Pré--operacional:
Pré
operacional: “boil out” de caldeiras novas
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Li
Limpeza
Limpeza
p
q
química: ácida,, alcalina,, mecânica,, de
equipamentos em serviço, devido a tratamento
inadequado ou inexistente;
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Sistema não-químicos de tratamento
„
„
Magnéticos
Catalíticos
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Uso de dispositivos não químicos: Muitos
dispositivos não químicos vendidos para o
tratamento de água industrial são alegados
como capazes de resolver todos os
problemas relacionados à água, incluindo
incrustações, corrosão, limo e cheiro. Diz-se
d l
deles
que alcançam
l
resultados
lt d
notáveis
tá i
através de forças naturais (tais como
magnetismo, eletricidade ou radiação) ou
d
desconhecidas
h id
pelos
l
engenheiros
h i
ou não
ã
reveladas. Freqüentemente se afirma que os
dispositivos não químicos exigem pouca ou
nenhuma
h
atenção
t
ã
e nenhum
h
produto
d t
químico. Em geral, eles não têm se
demonstrado efetivos. Conseqüentemente, o
uso destes
d
di
dispositivos
ii
d tratamento não
de
ã
químicos em sistemas do Exército, seja em
forma de teste ou em base regular, é
proibido.
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Qual é, na sua opinião, o fator
mais determinante no
tratamento de águas
g
de
caldeiras? O custo ou a
segurança?
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
A conservação dos recursos
naturais, da água em particular,
é uma p
prioridade nas empresas
p
que buscam sustentabilidade.
Como o tratamento adequado
da água pode contribuir para
alcançar este objetivo?
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Você acha relevante o impacto
ambiental da geração de vapor
em caldeiras? Qual o
“combustível” ideal para
caldeiras? Gás
Gás, óleo
óleo,
eletricidade, nuclear?
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Tratamento Químico de águas de caldeiras
Se você tivesse que escolher
um tratamento para uma água
de alimentação
ç com cerca de
30 ppm de dureza de cálcio,
qual seria?
Conselho Regional de Química IV Região – Apoio: Caixa Econômica Federal
Minicursos CRQ-IV 2008
Tratamento Químico de águas de caldeiras
Você acabou de assumir a área
de utilidades de sua empresa e
descobriu q
que as duas
caldeiras de que você dispõe
estão incrustadas.
incrustadas O que fazer?
Conselho Regional de Química IV Região – Apoio: Caixa Econômica Federal
Minicursos CRQ-IV 2008
Tratamento Químico de águas de caldeiras
Agradecimentos
Ao CRQ 4, pelo convite e
organização, e sobretudo, pela
idéia dos minicursos
Aos participantes
À Caixa Econômica Federal, pelo
apoio
Conselho Regional de Química IV Região – Apoio: Caixa Econômica Federal
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