Sistemas de tubulações e demais equipamentos aplicados no transporte e processamento de fluídos, estão sujeitos aos efeitos de eventuais incrustações. Estas incrustações estão relacionadas às características do fluído e do processo e, geralmente, podem ser divididas em quatro categorias: incrustação química (incluindo escamação), incrustação biológica, incrustação por deposição (ou sedimentação) e incrustação por corrosão. Em todos os casos, prevenir é sempre a melhor alternativa em relação à sua remediação, mas como cada um destes diferentes tipos de incrustações são causadas por uma combinação particular de reações químicas e físicas, a prevenção assumirá diferentes formas.
Os parágrafos a seguir descrevem alguns dos tipos mais comuns de particulados sólidos causadores destas incrustações e os métodos mais eficazes de prevenção.
Incrustações químicas: Descamação
O calcário é o agente de incrustação química mais conhecido, pois é um tipo de problema que se faz muito presente em caldeiras e tubulações industriais.
O calcário é um depósito rígido, constituído principalmente por carbonato de cálcio (CaCO3) sendo presente em processos onde é utilizada a "água dura" como agente de transferência de calor, pois neste processo uma fração da água é evaporada (principalmente nas torres de resfriamento) aumentando significamente a concentração de sais mineirais, aumentando sua insolubilidade e consequentemente se depositando nas paredes das tubulações e equipamentos.
A coloração destas incrustações pode varia de quase branco a uma gama de cinzas e rosa ou marrom avermelhado, dependendo de outros minerais presentes, sendo que óxidos de ferro dão um tom marrom-avermelhados nos depósitos.
A limpeza do sistema é de difícil execução quando estes depósitos encontram-se em estágios relativamente avançados, podendo prejudicar seriamente a operacionalidade do sistema. Agentes descalcificantes são comumente usados para remover o calcário que já encontra-se depositado e sua prevenção baseia-se em tecnologias de amaciamento da água e posterior tratamento.
Incrustações químicas: Estruvita
A estruvita (fosfato de amônia e magnésio) é um mineral que frequentemente se precipita na urina, tanto de animais quanto de seres humanos, particularmente naqueles cuja dieta se baseia no consumo de plantas, que são ricas em magnésio ou então aqueles infectados com bactérias produtoras de amônia.
A estruvita pode ser um problema no tratamento de esgoto e águas residuais, especialmente em sistemas que incluem digestão anaeróbica, pois libera amônia e fosfato formando uma crosta rígida na superfície das tubulações, instrumentos e equipamentos.
As mesmas considerações que se aplicam à incrustação por descamação química também se aplicam à prevenção da formação de estruvita em trocadores de calor. Manter a temperatura da água abaixo de 65°C ajudará a prevenir a sua formação, assim como restringir a quantidade de fósforo adicionado ao digestor. Muitas vezes pode ser removida fisicamente e, como a estruvita é um mineral valioso, muitas estações de tratamento de águas residuais e empresas estão buscando a recuperação comercial de estruvita.
Incrustação química: Vivianite
Incrustação por vivianite (fosfato ferroso) é um problema onde o cloreto férrico (também conhecido como licor de decapagem) é adicionado à água de reuso para controlar as emissões de sulfureto de hidrogênio (H2S). Em sistemas onde as temperaturas da água são muito altas, pode ocorrer a deposição de um material duro azul/verde (vivianite) na superfície interna do trocador de calor.
Incrustação biológica: Algas
A incrustação por algas é particularmente encontrada onde a água não tratada de efluentes é usada em sistemas de resfriamento. Os regulamentos ambientais impedem o uso de aditivos químicos e limitam o aumento da temperatura, de modo que as algas crescem rapidamente em um ambiente ideal. Algas necessitam de três elementos para seu desenvolvimento: água, luz e oxigênio, o que em torres de refriamento há a abundância destes elementos. As algas então são arrastadas para o sistema e à partir daí cessa o seu desenvolvimento, porém há o risco de acúmulo em determinadas regiões por vezes causando o entupimento do sistema. O uso de trocadores de calor de alta velocidade ou mesmo superfícies polidas podem evitar este tipo incrustação, assim como o uso de materiais de construção como cobre ou latão aliados a um sistema de filtração físico-químico e um regime de limpeza regular.
Incrustação biológica: Bactérias oxidantes de ferro
Bactérias aeróbicas de ferro aceleram a oxidação de íons Fe2+ dissolvidos na água para íons Fe3+ que formam então Fe2O3.H2O ou Fe(OH)3, ambos insolúveis. Essas bactérias são encontradas em águas de poços subterrâneos e desenvolvem-se em uma faixa de temperatura entre 0°C a 40°C e pH de 5,5 a 8,2.
O óxido ou hidróxido de ferro pode ficar aderido nas paredes das tubulações, instrumentos e equipamentos em forma de tubérculos, que possui como característica uma coloração castanho-amarelada ou laranja. Nestes tubérculos a presença predominante é de Fe2+, porém pode conter compostos de cálcio, magnésio, alumínio e manganês que com o tempo pode apresentar uma camada externa dura e uma camada interna quase fluída, que se torna pulverulenta após secagem.
Estas bactérias não são causadoras diretas de corrosão no sistema, porém criam condições ideais para que se estabeleçam um processo corrosivo. Para evitar os incovenientes originados por estas bactérias, pode-se:
Remover o ferro da água, oxidando-o por aeração ou por cloração e posterior filtração;
Precipitar o ferro durante o processo de abrandamento por cal sodada;
Aplicação de biocidas;
Limpeza periodica do sistema quando as incrustações já fizerem-se presentes. Essa limpeza se dá com o sistema parado ou em funcionamento. No caso do sistema parado, pode-se usar ácido clorídrico contendo inibidor de corrosão, como derivados de tioureia ou derivados aminados. No caso do sistema em operação, pode-se usar produtos não ácidos contendo agentes complexantes de ferro, como sais de sódio do ácido etilenodiaminotetracético ou gluconato de sódio e agentes dispersantes e tensoativos;
Emprego de inibidores de corrosão.
Incrustação por deposição: sedimento
Este é o tipo mais comum de incrustação em trocadores de calor e é causada por partículas no fluido tratado que se depositam na superfície do feixe tubular.
A prevenção para este tipo de problema geralmente se dá por um projeto adequado do equipamento e seus componentes aliados à escolha do trocador de calor correto para as características operacionais. Garantir que o fluído tenha velocidade e pressão suficientes pode prevenir a deposição de sedimentos asim como a aplicação de tubos corrugados e rotina de manutenção e limpeza adequadas.
Incrustação por deposição: queimadura
A queimadura ocorre quando a temperatura da água é muito alta, fazendo com que os sedimentos (particularmente materiais orgânicos) fiquem cozidos nas paredes do tubo. Frequentemente ocorre em função de anomalias no processo como, por exemplo, o aquecimento contínuou enquanto o fluxo do produto encontra-se estagnado, resultando em superaquecimento do fluído.
A probabilidade de queimadura pode ser reduzida por meio de um projeto do sistema no qual estas eventuais anomalias possam ser identificadas assim que as condições operacionais sejam propícias aliadas ao intertravamento dos controles das bombas de água e lodo, de modo que, se uma parar, a outra também para. O controle da temperatura da água (idealmente mantendo-a abaixo de 80°C) também ajudará a evitar queimaduras. Após o surgimento de partículas queimadas aderidas às paredes dos equipamentos, sua remoção pode ser por limpeza química, física ou ambos.
Incrustação por corrosão
Geralmente ocorre em circunstâncias específicas em que o material a ser tratado ou a própria construção do trocador de calor é particularmente suscetível à corrosão. Por exemplo, alumínio e cobre podem ser altamente reativos e freqüentemente sofrem corrosão galvânica ou formação de óxidos na superfície do tubo onde foram usados para a fabricação do feixe tubular.
O uso de um material resistente a essa corrosão, mas que mantém boas propriedades de transferência térmica, como o aço inoxidável, pode ser uma boa alternativa para sua prevenção. Um projeto adequado do sistema com o propósito de remover regularmente os resquícios de óxidos e uma limpeza regular também ajudarão a prevenir a formação de corrosão.
Fontes:
Gentil, Vicente; de Carvalho, Ladimir José - Corrosão - 7. ed. - Rio de Janeiro: LTC, 2022;
Ghizze, Antônio - Manual de trocadores de calor, vasos e tanques - 1. ed. - São Paulo: IBRASA, 1989;
Pelliccione, André da Silva; Moraes, Milton Franco; Galvão, Jorge Luiz Rezende; de Mello, Luis Antonio; da Silva, Édison Santos - Análise de falhas em equipamentos de processo: mecanismos de danos e casos práticos - 2. ed. - Rio de Janeiro: Interciência, 2014;
WHAT IS LIMESCALE & HOW DO GET RID OF LIMESCALE?: How to prevent scale and where it originates from. - acessado em 7 de junho de 2023 - disponível em: https://www.watchwater.de/what-is-limescale-how-do-get-rid-of-limescale/ ;
HRS explains types of heat exchanger fouling - acessado em 7 de junho de 2023 - disponível em: https://www.worldpumps.com/content/features/hrs-explains-types-of-heat-exchanger-fouling/
Vivianite scaling in wastewater treatment plants: Occurrence, formation mechanisms and mitigation solutions - acessado em 6 de junho de 2023 - disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135421002438
Rid Your Systems of Struvite and Vivianite - acessado em 5 de junho de 2023 - disponível em: https://www.goodway.com/hvac-blog/2021/07/rid-your-systems-of-struvite-and-vivianite/#:~:text=Struvite%20is%20formed%20when%20ammonia,is%20formed%20during%20anaerobic%20digestion.
Case Study: Vivianite Removal From WWTP Piping - acessado em 6 de junho de 2023 - disponível em: https://www.apexengineeringproducts.com/case-studies/case-study-vivianite-removal-from-wwtp-piping/