Technologia Wody

Technologia Wody

Wykład 13(7)

OCZYSZCZANIE WODY

DO CELÓW PRZEMYSŁOWYCH

Politechnika Koszalińska

Gosp. komunalna 2590 1395 1425 R i L 1540 1395 1425

Zużycie Wody w Polsce

Przeznaczenie Zużycie w latach (hm³)

1988 1993 1996

Przemysł 9220 8140 8320

Zasoby dyspozycyjne- zasoby naturalne

Q (m3/d)

Zapotrzebowanie na wodę

Zasoby dyspozycyjne-Z1 Zasoby naturalne

Zasoby dyspozycyjne-Z2 Zasoby dyspozycyjne-Z

Zasoby dyspozycyjne-Z4

Odnowa wody

SYSTEMY WYKORZYSTANIA WODY

U₁

O₃ O₂ O₁ U₂

U₃

O₁ O₂ U₃ O₃

U₁ U₂

O₁ O₂

U₁ U₂

Równoległy

Szeregowy

Obiegowy

Skład wody określany jest przez normy branżowe.

Normy branżowe są różne -

- zależą od przeznaczenia wody.

Kwasowość g H₂SO₄/m³ 0

Zasadowość g CaCO₃/m³ 250

pH 6,8−8,5

Barwa g Pt/m³

Zawiesiny g /m³ 10 0,1

Twardość g CaCO₃/m³ 250

Wapń g Ca/m³ 100

Chlorki g Cl/m³ 250

Siarczany g SO₄/m³ 250

Żelazo g Fe/m³ 0,2 0,2

Mangan g Mn/m³ 0,2 0,05

Krzemionka g SiO₂/m³ 50

Fenole g /m³ 0 0,0

Wskaźnik Jednostka NDS (USA) NDS (Polska)

Woda dla przemysłu spożywczego

– WŁÓKIENNICZY Twardość 1,0 - 2,5 val/m³

Mętność 0

Barwa 0

Żelazo 0

Mangan 0

WYMAGANIA SPECYFICZNE

PRZEMYSŁ WYMAGANIA

– FARBIARSKI Twardość < 1,5 val/m³ Barwa < 20 g PT/m³ Fe + Mn < 0,2 g/m³

Zawiesiny 0

– BIELENIE Żelazo < 0,05 G Fe/m³

Mangan < 0,01 g Mn/m³

– PAPIERNICZY Barwa < 15 g PT/m³

Zawiesiny 0 - 20 g/m³ Utlenialność 5 - 20 g/m³

Największe ilości wody stosuje się do celów chłodniczych i wytwarzania pary.

Wody te muszą charakteryzować się małą twardością

Usuwanie twardości wody nazywamy zmiękczaniem.

WODA DO CELÓW CHŁODNICZYCH Wymagania podstawowe

 niska temperatura ( W = Q/c • ∆T )  stabilna i niekorozyjna ( I = pH_rz/pH_s )

 termostabilna [ I₁ = m₀/m; I₂ = (m₀-m)50 ] Wymagania dodatkowe

 T_W < 2,86 val/m³

 Obecność koloidów organicznych  Brak żelaza i manganu

 Ograniczone stężenie związków rozpuszczalnych

WODA DO CELÓW KOTŁOWYCH (1)

– jakość zależy od mocy urządzenia, jakości opału, typu wymiennika

– wyższe wymagania dotyczą jakości pary

WODA DO CELÓW KOTŁOWYCH (2)

Woda obiegowa Woda do uzupełniania

pH > 8,5

Twardość (val/m³) < 0,035 < 0,02 Tlen (gO₂/m³) < 0,05 < 0,03 Siarczyny (g/m³) 3 - 2

Fosforany (g/m³) < 10 < 5

Zawiesina (g/m³) < 5 < 5

Ekstrakt (g/m³) < 1 < 1

Żelazo (g/m³) 0,01

Utlenialność (g/m³) 20

WODA DO CELÓW KOTŁOWYCH (3)

Oczyszczanie wody

1. Wstępne (odolejanie, zawiesiny)

2. Zmiękczanie (termiczne, strącanie, jonity)

3. Demineralizacja (met. membranowe, jonity, metody termiczne) 4. Okrzemianie wody

5. Odgazowanie wody (fizyczne, chemiczne) 6. Ochrona przed korozją (inhibitory)

C

W

W

– Iloczyn jonowy (pH) – Twardość wody (ΣHe²⁺)

– Iloczyn rozpuszczalności (IR=1/2Σc·z²) – Rozpuszczalność (C%, C_m)

– Kwasowość wody

K

K

– wytrącanie (odparowywanie wody,

zmniejszenie rozp., współdziałanie jonów) – substancje kamieniotwórcze

Ca(HCO₃)₂ ; CaSiO₃ ; Mg(HCO₃)₂ ; MgSiO₃

S

K

K

CaSO₄·2H₂O CaSO₄

CaCO₃ Mg(OH)₂ MgSO₄ MgSiO₃

R

K

K

– węglanowy (do 90% CaCO₃ , ν = 0,5-5,0 kcal/m·h·°C) – gipsowy (ok. 50% CaSO₄ , ν = 0,2-2,0 kcal/m·h·°C) – krzemianowy (ok. 25% CaSiO₃ , ν < 0,1 kcal/m·h·°C)

– przegrzewanie metalu

– straty ciepła gazów spalinowych – obniżenie temp. ogrzewanej wody – obniżona wydajność kotła

D

K

K

S

P

Grubość Straty Straty kamienia wydajności węgla mm % kg/Hg

0,75 7,2 52,5 1,50 12,6 116,0 2,80 15,9 167,0

K

W

– korozja chemiczna : pod wpływem gazów suchych

– korozja elektrochemiczna : lokalne ogniwa galwaniczne

K

C

3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂ (t < 570°C) Fe + H₂O → FeO + H₂ (t < 550°C) 3FeO + H₂O → Fe₃O₄ + H₂

W

S

W

K

Ciśnienie

Mineraliz. Krzemionka Fosforany Prz. elekt.

Wymagania

MPa mval/dm³ mg/dm³ mg/dm³ ms/m

4 - 6,4 < 3 < 10 < 10 < 2500 6,4 - 8 < 1 < 4 < 3 < 1500 8 - 12 < 0,3 < 1 < 3 < 250 12 - 16 < 0,1 < 0,5 < 3 < 50

Zagadnienia

- wody przemysłowe a konsumpcyjne - sposoby gospodarki wodą

- sposoby zwiększania zasobów wody - negatywne efekty kamienia kotłowego - rodzaje korozji

TECHNOLOGIA WODY III

- WYKŁAD 4 -

Kamień kotłowy

pH_S – pH wody stabilnej czyli taka wartość pH wody dla której ma miejsce równowaga między:

jonami węglanowymi, wodorowęglanowymi i dwutlenkiem węgla

pH_rz – rzeczywiste pH wody pH_S – pH_rz = I

I – indeks Langeliera czyli miara odchylenia od pH_S

I = 0 woda stabilna

I > 0 wytrącanie CaCO₃

I < 0 rozpuszczanie CaCO_3(korozja)

MATERIAŁY ULEGAJĄCE KOROZJI (c.d.)

c) indeks Ryzmer’a

IR = 2pH

- pH

• IR>6,8 (woda korozyjna)

Oznaczanie pH_S (stężenia jonów wodorowych wody stabilnej)

pH

= lg L – lg K

– lg Ca

– lg HCO

pH

= ( 9,3 + A + B ) – ( C + D )

zasadowość ogólna (mg CaCO₃/dm³) twardość wapniowa (mg CaCO₃/dm₃) druga stała dysocjacji kwasu węglowego

iloczyn rozpuszczalności CaCO₃

zasadowość twardość wapniowa

Obliczanie pHs oraz I

-sucha pozost. 140 mg/dm3

-twardość wapn. 1,4 mval/dm3 ---- S = 0.11 -zasodowość 0,4 mval/dm3

-temperat. 20oC -odczyn pH 6,8

pHs = 6.3 + lg (5,3 10 ^-9 / 4,21 10 ^-11) - lg 0,4 - lg 1,4 + 0,11 = 8,9

I =pH - pHs

GŁÓWNE PROBLEMY

WYNIKAJĄCE Z niestabilnej wody w przewodach

– korozja

– kamień kotłowy – muły

– mikroorganizmy

PROBLEMY

Osady organiczne

Kamień

kotłowy Organizmy Korozja

bezpostaciowy krystaliczny

RODZAJE OSADÓW

– osady krystaliczne

– osady bezpostaciowe

Struktura osadów w rurociągach wody pitnej

Strefa tlenowa

Warstwa przejściowa

Strefa

beztlenowa

Strefa

redukcyjna

α FeOOH MnO₂ CaCO₃

CaSO₄ ·2H₂O α FeOOH

Fe₃O₄ α FeOOH γ FeOOH FeCO₃ FeS

Fe₃(PO₄)₂ ·6H₂O FeCO₃

FeO C

~~~~~

Rozpuszczalność

1. Mineralizacja

– kationy Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺

– aniony SO₄^2-, Cl^-, HCO^3-

a) mineralizacja / siła jonowa

b) mineralizacja / zasolenie

Iloczyn rozpuszczalności

( ) ^K

^IR = [ ] [ ] ^C ⋅ ^A

[

] ^{+ [ ]}

=

S

Ca CO K

-8 S

4,8 10

K = ⋅

CA [C

]+[A

]

CaCO

Ca

+ CO

K_S Rozpuszczalność mg/dm³

NaCl – 260.000

CaCl₂ – 595.000

BaCl₂ – 310.000

CaCO₃ 4,8×10^-9 14

CaSO₄ 6,1×10^-6 2.100

BaSO₄ 1,1×10^-10 2,2

Ca₃(PO₄)₂ 1,3×10^-32 – Fe(OH)₃ 1,1×10^-36 –

PRZYKŁADY ILOCZYNÓW ROZPUSZCZALNOŚCI

b) mechanizm tworzenia kamienia kotłowego

– warunkiem koniecznym jest przekroczenie

iloczynu rozpuszczalności (przesycenie roztworu) – dwia etapy powstawania kamienia

1. tworzenie zarodków 2. faza wzrostu

– fosforany (wapnia i magnezu) / Ca₃(PO₄)₂

Mała rozpuszczalność. Aniony fosforanowe pochodzą z wody rozcieńczającej lub substancji inhibujących korozję (polifosforany).

– siarczan wapnia / CaSO₄

– krzemionka / SiO₂, krzemiany / MgSiO₃

Mała rozpuszczalność przy małym pH i wysokiej

temperaturze. Tworzą twarde, przylegające i dobrze termicznie izolujące osady. Często tworzą je

krzemiany magnezu MgSiO .

WŁAŚCIWOŚCI I RODZAJE KAMIENIA KOTŁOWEGO

Wskaźniki charakteryzujące kamień kotłowy

a) porowatość

b) ciężar właściwy c) twardość

d) przewodnictwo e) cieplne

f) skład chemiczny

ad a Porowatość kamienia kotłowego

% γ 100

γ n γ

poz

poz

rz

− =

=

γ_rz – rzeczywisty ciężar właściwy kamienia kotłowego (po odliczeniu porów)

γ_poz – pozorny ciężar właściwy kamienia kotłowego (bez odliczenia porów)

ad b Ciężar właściwy

(

)

v

w

g/cm v

1 m

γ = m ⋅

m_k – masa kamienia m_w – masa wody

v – objętość (cm³)

g – ciężar właściwy (rzeczywisty lub pozorny)

ad c Twardość

– dziesięciostopniowa skala twardości

– twardość kamienia kotłowego mieści się 1

talk

2 gips

3

spat ist.

4 fluoryt

5 apatyt

6

ortoklaz

7 kwarc

8 topaz

9 korund

10 diament

ad d Przewodnictwo cieplne

– im mniejsze jest przewodnictwo cieplne tym większa jest szkodliwość kamienia kotłowego

– zależy od właściwości kamienia i sposobu jego powiązania z powierzchnią przewodu

ad e Skład chemiczny

węglany siarczany krzemiany

2. Bezpostaciowe osady mineralne i organiczne (muły)

– Obejmują wszystkie osady, które nie mają charakteru krystalicznego, a są wynikiem akumulacji zawiesin

tworzących śluzowate i muliste depozyty (cząstki gliny, mikroorganizmy, materia organiczna).

– Osady tego typu są z reguły miękkie i słabo przylegają do ścianek przewodów.

– Typowe problemy wywołane

a) zmniejszeniem przewodności cieplnej b) przegrzanie

c) zwiększenie oporów przepływu