UZDATNIANIE WODY NA CELE KOTŁOWE
W przypadku wód kotłowych rozróżniamy:
- wodę surową, pochodzącą z ujęcia naturalnego lub z sieci wodociągowej, która po dalszym uzdatnianiu, wprowadzana jest do kotłów
- wodę kotłową, znajdującą się w kotle; poddawana jest procesowi odparowywania, w trakcie tego procesu, woda kotłowa ulega zagęszczeniu, co może prowadzić do wytrącania się osadów
- wodę zasilającą, którą uzupełniamy braki wody kotłowej; może być ona mieszaniną kondensatu i wody dodatkowej (woda dodatkowa – uzdatniana woda surowa, służąca do pokrycia strat w obiegu wodno – parowym; kondensat – skropliny pary wodnej, wyprodukowanej wcześniej w kotle)
Wymóg jakości wód przeznaczonych na cele kotłowe:
Wody kotłowe i wody dodatkowe powinny posiadać skład określony przez producenta kotłów; czyli wody doprowadzane do kotła powinny być tak uzdatnione, aby nie powodowały wytrącania się kamienia kotłowego, korozji urządzeń oraz nie powinny się pienić;
· Wytrącanie się kamienia kotłowego zmniejsza przewodnictwo ciepła, czyli obniża jego sprawność, a w przypadku odrywania się dużych powierzchni kamienia, może spowodować jego uszkodzenie; powodem powstawania kamienia jest obecność w wodzie węglanów, siarczanów oraz krzemianów
· Za korozyjność wody odpowiada obecność w niej dwutlenku węgla, tlenu rozpuszczonego oraz nadmiernych ilości chlorków, azotanów i siarczanów
· Pienienie jest wywołane obecnością w wodzie związków organicznych, dużym zasoleniem wody i nadmierną alkalicznością; pienienie wody niesie za sobą niebezpieczeństwo zanieczyszczenia pary wodnej, co prowadzi do zmniejszenia wydajności kotła, może powodować dokładnie na osadkach turbin lub może utrudniać eksploatację pary wodnej w obiegu
Jeżeli chodzi o uzdatnianie wody na cele kotłowe, to niezależnie czy wykorzystujemy wody naturalne, czy wody wodociągowe wstępnie uzdatnione, musimy odpowiednio doczyścić wodę przed wprowadzeniem jej do kotła; należy, więc z tej wody wszystkie czynniki korodujące, wykonujemy to dobierając procesy uzdatniania w zależności od występujących zanieczyszczeń:
→ dwutlenek węgla usuwamy fizycznie przez odpędzanie lub chemicznie w wyniku reakcji wiązania
→ zanieczyszczenia powodujące występowanie kamienia usuwamy na drodze chemicznej lub w reakcjach strąceniowych, albo w procesach jonitowych lub membranowych
→ zanieczyszczenia organiczne powodujące pienienie wody usuwamy na drodze sorpcji na węglu aktywnym granulowanym albo metodą koagulacji z wykorzystaniem soli, glinu lub żelaza
Zmiękczanie wody przez proces na drodze termicznej lub chemicznej
Zmiękczanie, zarówno na drodze termicznej, jak i chemicznej (strąceniowej), polega na usuwaniu z wody jonów wapnia i magnezu w wyniku wytrącania ich w postaci nierozpuszczalnych osadów (wszystko to odbywa się na stacji uzdatniania wody, przed wpłynięciem jej do kotła)
W zależności od stopnia uzdatnienia wody, jaki chcemy osiągnąć, dobieramy odpowiedni procesy
a) gdy chcemy wodę zmiękczyć całkowicie (zdemineralizować), to stosujemy metody, które powodują usunięcie z wody prawie wszystkich zanieczyszczeń woda zdemineralizowana swoim składem przypomina wodę destylowaną
b) gdy chcemy usunąć z wody tylko twardość węglanową, to stosujemy proces dekarbonizacji
Skuteczność zmiękczania wody zależy od:
I. Ilości i rodzaju zanieczyszczeń, występujących w uzdatnianej wodzie
II. Zastosowanych chemikaliów
III. Fizycznych warunków prowadzenia procesu
· Procesy termiczne i chemiczne na drodze strąceniowej
Dekarbonizacja termiczna – polega na rozpadzie rozpuszczonych w wodzie kwaśnych węglanów wapnia i magnezu, pod wpływem działania podwyższonych temperatur (o ile kwaśny CaCO3 bardzo szybko przechodzi w formę obojętnego węglanu wapnia, nierozpuszczalnego w wodzie i wytrąca się w postaci osadu, to kwaśny MgCO3 początkowo przechodzi w formę węglanu magnezu, który pozostaje nadal jeszcze dość dobrze rozpuszczalny w wodzie; dopiero jego dalsza hydroliza do wodorotlenku magnezu czyni go nierozpuszczalnym w wodzie, czyli wytrącanym w postaci osadu; niestety to wytrącanie zachodzi dopiero przy podwyższonym pH → około 11) proces dekarbonizacji termicznej uzależniony jest od zastosowanych temperatur (im temp. wyższa, ty szybciej przebiega)
Dekarbonizacja wapnem – jedna z najstarszych metod usuwania twardości węglanowej; polega na wprowadzaniu do uzdatnionej wody wapna, które reaguje z kwaśnymi węglanami wapnia i magnezu; w wyniku reakcji dochodzi do wytrącenia z wody obojętnego CaCO3 i Mg(OH)2. Dodatkowo, jeżeli w uzdatnionej wodzie występują inne od wapnia i magnezu, takie jak chlorki czy siarczany, to w reakcji z wapnem, są one także wytrącane w postaci CaCO3 (obojętnego) i Mg(OH)2. Dodatkowo wapno wiąże dwutlenek węgla występujący w uzdatnionej wodzie. W procesie dekarbonizacji wapnem dochodzi do usunięcia części czynników kamieniotwórczych, wyraźnie dochodzi do usunięcia z wody węglanu wapnia i jednocześnie w uzdatnionej wodzie obserwujemy wzrost twardości wapniowej, przy nieznacznym spadku twardości magnezowej.
Dekarbonizacja wody kwasem – inaczej szczepienie wody kwasem; polega na usuwaniu z uzdatnionej wody kwaśnych węglanów wapnia i magnezu przez dodawanie do wody kwasu solnego lub siarkowego; w wyniku reakcji, w uzdatnionej wodzie wytwarzają się chlorki lub siarczany wapnia lub magnezu, które charakteryzują się większą rozpuszczalnością w wodzie niż węglany wapnia lub magnezu. Powstaje, więc mniejsze zagrożenie wytrącania kamienia kotłowego. Zastosowana metoda (szczepienia) nie powoduje zmniejszenia twardości ogólnej uzdatnionej wody, ale powoduje zmniejszenie twardości węglanowej oraz wzrost twardości niewęglanowej. Proces ten musi być prowadzony pod ciągłym nadzorem i jest zalecany do uzdatniania wody do obiegów zamkniętych i najczęściej dla obiegów chłodniczych.
Jeżeli chcemy przeprowadzić zmiękczanie wody, to można zastosować metodę sodowo – ługową. Jest ona zalecana dla wód, które posiadają nieznaczną twardość węglanową i wysoką twardość niewęglanową.
Jako reagenty stosujemy tu węglan sodu i zasadę sodową; w wyniku reakcji dochodzi do wytrącenia obojętnego CaCO3 i Mg(OH)2. Dodatkowo w uzdatnionej wodzie pojawiają się sole sodowe. Zastosowanie tej metody wymaga dokładnej znajomości składu uzdatnionej wody w celu określenia optymalnych dawek reagentów oraz należy dodatkowo pamiętać, że węglan sodu powstaje także w reakcjach ługu sodowego z kwaśnymi węglanami wapnia i magnezu.
Ponieważ ług sodowy jest drogim odczynnikiem, można w jego miejsce zastosować wapno. Mówimy wtedy o metodzie wapno – sodowej. Polega ona na równoczesnym wprowadzeniu do uzdatnionej wody sody (węglanu sodu) oraz roztworu wapna. Metoda łączy w sobie tanią dekarbonizację wapnem i strącanie twardości niewęglanowej sodą, czyli węglanem sodu. Dodatkowo w uzdatnianej wodzie dochodzi do wiązania dwutlenku węgla i usuwania innych form soli wapnia i magnezu niż węglanowa.
Zmiękczanie fosforanem sodu – stosowanie fosforanu pozwala na usunięcie z wody prawie wszystkich twardości; powstające fosforany wapnia i magnezu charakteryzują się bardzo małą rozpuszczalnością w środowisku wodnym; najlepiej, jeżeli można by stosować do tego procesu fosforan trójsodowy (daje to większą efektywność reakcji). Niestety odczynnik ten jest stosunkowo drogi, dlatego bardzo często zastępowany jest przez kwaśne fosforany sodu. Proces zmiękczania fosforanem sodu może być stosowany przez bezpośrednie dawkowanie fosforanem do uzdatnianej wody, ale jest to zalecane jedynie w przypadku wód o małej twardości ogólnej. Gdy twardość ta jest dość wysoka, zalecane jest wstępne zmiękczanie wody metodą sodowo – ługową, a następnie przeprowadzane są korekty końcowe metodą fosforanową.
Metody strąceniowe → metody, których skuteczność uzależniona jest od doboru odpowiedniej metody do występujących zanieczyszczeń w uzdatnionej wodzie, od temperatury procesu oraz od czasu reakcji.
Metody te posiadają jedną wadę: w trakcie procesu strącania w uzdatnionej wodzie powstaje osad, który trzeba usunąć (odbywa się to najczęściej na drodze sedymentacji); osad ten należy zagospodarować (doprowadzić do unieszkodliwiania); dlatego obecnie odchodzi się od metod strąceniowych, na rzecz metod bezodpadowych (jonitowych lub membranowych).
Zmiękczanie i demineralizacja wody za pomocą wymieniaczy jonowych
Wymieniaczami jonowymi (w skrócie: jonity) są substancje pochodzenia naturalnego lub sztucznego, nierozpuszczalne w wodzie, posiadające zdolność wymiany jonu z roztworu na jon związany z masą wymieniacza. Substancje takie mogą posiadać cechy kwasów lub soli kwasów i posiadają zdolność wymiany kationów (kationity).
Substancje o charakterze zasadowym lub ich soli, posiadające zdolność wymiany anionów nazywamy anionitami, jonity obojętne w zależności od pH środowiska, w którym pracują mogą wymieniać kationy na aniony.
Jonity posiadają strukturę porowatą o silnie rozbudowanej powierzchni wewnętrznej, z dużą ilością kanalików. Struktura ta jest hydrofobowa, dlatego charakteryzuje się dużą elastycznością i rozciągliwością. Ziarna jonitu zanurzone w wodzie ulegają procesowi pęcznienia, w wyniku, czego powiększają się rozmiary kanalików (jonit najpierw należy zamoczyć).
Budowa chemiczna jonitu – w każdym jonicie rozróżniamy: szkielet, na którym umieszczone są jony mobilne (mogą odrywać się od szkieletu i przechodzić do roztworu); każdy jonit posiada następujące cechy:
a) fizyczne
- barwę
- kształt ziarna
- wielkość ziarna
- gęstość nasypową
- odporność na działanie czynników mechanicznych lub termicznych
- stopień pęcznienia
b) chemiczne
- decydują o nich rodzaj i ilość grup funkcyjnych jonitu (aktywnych), osadzonych na szkielecie;
nadają one jonitowi zdolność jonowymienną oraz selektywność usuwania zanieczyszczeń.
ISTOTA WYMIANY JONOWEJ
W trakcie wymiany jonowej, obecne w wodzie jony posiadają określony ładunek. Są one przyciągane przez jonit, a równocześnie do roztworu z jonitu uwalniany jest jon „nieszkodliwy” (najczęściej jony wodoru, sodu, chlorkowe lub grupy OH-), jony przyciągane do szkieletu jonitu najpierw osiadają na powierzchni jonitu, a następnie są transportowane w głąb kanalików; ten transport jest najwolniejszym procesem całej wymiany jonowej i wyznacza on prędkość wymiany jonowej dla poszczególnych jonitów; dodatkowo, oprócz typowej wymiany jonowej, zanieczyszczenia mogą być zatrzymywane na jonicie na drodze sorpcji zanieczyszczeń na powierzchni materiału jonitu.
Zdolność wymienna jonitu – zmniejsza się ona wraz z ilością zatrzymywanych jonów (zanieczyszczeń) na szkielecie jonitu; dlatego po pewnym okresie pracy, jonit poddawany jest procesowi regeneracji; regeneracja polega na działaniu na jonit roztworem związku chemicznego, zalecanego przez producenta, który powoduje zastąpienie jonów zatrzymywanych z uzdatnionej wody jonami charakterystycznymi dla jonitu.
W przypadku uzdatniania wody, wykorzystujemy następujące typy jonitów:
- obojętne lub słabokwaśne kationity, które posiadają zdolność wymiany kationów z soli słabych kwasów i pracują w środowisku obojętnym albo słabo alkalicznym
- kationity silnie kwaśne, które posiadają zdolność wymiany wszystkich kationów, a ich zakres sprawności dotyczy całego pH (od 1 do 14)
- anionity: słabozasadowe (posiadają zdolność wymiany anionów mocnych kwasów, a nie posiadają zdolności reagowania z solami obojętnymi), silniezasadowe (posiadają zdolność wymiany większości anionów, nawet anionów słabych kwasów)
Jeżeli uzdatniamy wodę, można korzystać z następujących układów:
· na kationicie słabym, pracującym w cyklu wodorowym, można usunąć z wody twardość węglanową
· na kationicie silnie kwaśnym, pracującym w cyklu sodowym lub wodorowym, można usunąć twardość węglanową i niewęglanową
· jeżeli zastosujemy po sobie kationit słabo kwaśny i silnie kwaśny pracujący w cyklu wodorowym, to można uzyskać usunięcie z wody twardości węglanowej i niewęglanowej
· jeżeli chcemy przeprowadzić demineralizację wody, należy zastosować kationit silnie kwaśny pracujący w systemie sodowym oraz anionit silnie zasadowy pracujący w cyklu chlorkowym
Casablanca22