A K A D E M I A M O R S K A W S Z C Z E C I N I E W Y D Z I A Ł M E C H A N I C Z N Y K A T E D R A F I Z Y K I I C H E M I I

Transkrypt

1 Temat ćwiczenia: A K A D E M I A M O R S K A W S Z C Z E C I N I E W Y D Z I A Ł M E C H A N I C Z N Y K A T E D R A F I Z Y K I I C H E M I I Studia stacjonarne I stopnia III rok studiów, semestr V kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn specjalność: Eksploatacja Siłowni Okrętowych Sprawozdanie z ćwiczenia laboratoryjnego z chemii wody Pomiar ph oraz oznaczanie alkaliczności wody Data wykonania ćwiczenia: r. Data złożenia sprawozdania: r. Prowadzący zajęcia: dr inż. Agnieszka Kalbarczyk-Jedynak Ocena: Imię i nazwisko studenta: Kazimierz Kowalski Grupa: L0. CEL ĆWICZENIA Sprawozdanie wzorcowe z ćwiczenia laboratoryjnego wg wymagań Krajowych Ram Kwalifikacji (KRK) Poznanie pojęć i przyswojenie wiedzy z zakresu ph oraz alkaliczności p i m wody technicznej na statkach, metod ich oznaczeń, obowiązujących limitów wg firm żeglugowych oraz producentów kotłów okrętowych, znaczenia eksploatacyjnego tych parametrów i obliczeń chemicznych z zakresu ph i alkaliczności wody. 2. PODSTAWOWE ZAGADNIENIA NIEZBĘDNE DO OPANOWANIA PRZY WYKONYWANIU ĆWICZENIA Prawidłowy sposób monitorowania stanu wody jest jednym z najistotniejszych czynników prowadzących do osiągnięcia bezawaryjnej i ekonomicznej pracy kotła oraz optymalnej jakości pary. Osadzanie się kamienia, korozja, częste odsalanie kotła parowego oraz wysokie zużycie środków do korekty chemicznej wody kotłowej są równoznaczne z ponoszeniem strat ekonomicznych. Stąd podstawowym zadaniem przy obsłudze kotła jest wydłużenie czasu jego eksploatacji oraz obniżenie korozyjności wody i zapotrzebowania na środki korekty chemicznej które mają swoje odzwierciedlenie ekonomiczne w kosztach eksploatacji kotłowni. Dobór właściwych środków korygujących stan wody jest istotny, gdyż szkody powstałe w wyniku nieprawidłowo dobranych środków nie mogą być przedmiotem roszczeń gwarancyjnych. Aby utrzymać kocioł w odpowiedniej kondycji należy monitorować takie parametry kotła jak: przewodność elektryczna, alkaliczność, ph, twardość wody, poziom fosforanów itp. Wymagania dotyczące jakości wody zasilającej i wody kotłowej precyzuje norma PN-EN :2006 część 2. Podstawowym pojęciem związanym z bezawaryjną pracą kotła jest ph. ph jest to ujemny logarytm dziesiętny ze stężenia jonów wodorowych [H + ] lub hydroniowych [HO + ], co zapisujemy w postaci:

2 lub ph = log[h + ] ph = log [H O + ] Dla wody kotłowej wartość ph w temperaturze 20ºC powinna oscylować w granicach 9. Wartości te są uzależnione od rodzaju kotła i parametrów jego pracy. Czysty destylat otrzymywany na statku w wyparowniku jest obojętny chemicznie i jego ph w temperaturze otoczenia wynosi 7. Takim nieuzdatnionym destylatem nie można zasilać kotłów okrętowych, gdyż ph jest ściśle zależne od temperatury i w temperaturach pracy kotła rzędu 200ºC ph destylatu spada do wartości 5,4, i jest to równoznaczne z zagrożeniem korozją kwasową kotła. Zatem otrzymany destylat należy uzdatnić pakietem związków alkalicznych, aby ph w temp. pracy kotła utrzymywało się w zakresie 8,4 9. Kolejnym niezbędnym parametrem istotnym pod kątem monitorowania pracy kotła i optymalizacji jego pracy jest alkaliczność. Pod pojęciem alkaliczności wody kotłowej rozumiemy jej zdolność do zobojętniania kwasów mineralnych w określonych warunkach. Właściwość tę nadają wodzie obecne w niej wodorowęglany oraz wodorotlenki wapnia, magnezu i sodu oraz dodatkowo fosforany, krzemiany w przypadku wód kotłowych. Celowe stosowanie środków nadających wodzie charakter alkaliczny ma na celu przeciwdziałanie korozji. Poziom alkaliczności wody kotłowej stanowią podstawę do intensywności odsalania lub odmulania wody w kotle parowym i oceny skłonności wody do pienienia. Nadmierna alkaliczność wody może być przyczyną korozji ługowej, tzw. międzykrystalicznej. Zjawisko to występuje w miejscach, gdzie brak jest cyrkulacji wody i są duże naprężenia mechaniczne w metalu. Podstawę do określania właściwości zasadowych (alkalicznych) wody na statkach stanowią dwie wielkości, tzw. alkaliczność mineralna p (oznaczana wobec fenoloftaleiny) oraz alkaliczność ogólna, określana też jako całkowita m (oznaczana wobec oranżu metylowego). Alkaliczność typu p określa całkowitą zawartość wodorotlenków, połowę zawartości węglanów oraz / zawartości fosforanów. Natomiast alkaliczność ogólna (całkowita) m określa całkowitą zawartość wodorotlenków i węglanów oraz 2/ zawartości fosforanów. Nadmierna zasadowość alkaliczna wody używanej do celów technicznych wywołuje silne pienienie wody w kotle. 2

3 . WYNIKI POMIARÓW I OZNACZEŃ.. WYNIKI POMIARÓW PH WODY KOTŁOWEJ Wyniki pomiarów ph Tabela Lp. Nr próbki wody Oznaczanie papierkami wskaźnikowymi Pomiar zakres ph 2 zakres ph 7,0 4,0 zakres ph 9,4 0, ph-metrem 0 9,5 9,8 9, ,0 0,0 0,0 9,5 9,8 9,9 Wartość średnia ph 9,67 9,87 9,9 Średnia wartość ph oznaczona za pomocą papierków o zawężonych zakresach ph wynosi: 9,87 Średnia wartość ph oznaczona za pomocą ph-metru wynosi: 9,9 Uwaga: do oceny jakości badanej wody przyjęto wartość ph = 9,9, którą oznaczono metodą dokładniejszą, tj. za pomocą ph-metru..2. WYNIKI OZNACZANIA ALKALICZNOŚCI WODY KOTŁOWEJ.2.. WYNIKI OZNACZENIA ALKALICZNOŚCI p Wyniki oznaczenia alkaliczności p Lp. Nr próbki wody Objętość Objętość 0, M HCl próbki [cm ] zużyta wobec fenoloftaleiny [cm ] 00 2, , ,75 Wartość średnia z miareczkowania (a) 2,75 Tabela 2 Obliczona alkaliczność p [mval/dm ] [ppm CaCO ] 2,75 7,5 Alkaliczność wody wobec fenoloftaleiny p obliczono wg wzoru []: gdzie: a 00 p V mval/dm a średnia objętość 0, M roztworu kwasu solnego zużyta do miareczkowania badanej wody do ph 8,, w cm, V objętość próbki wody wziętej do badania, cm. 2,7500 p 2,75 mval/dm 00 Przeliczenia alkaliczności p w mval/dm na alkaliczność w ppm CaCO, dokonano na podstawie poniższej proporcji:

4 mval 50 mg CaCO 2,75 mval x 2,7550 x 7,5 ppm CaCO.2.2. WYNIKI OZNACZANIA ALKALICZNOŚCI m Lp. Nr próbki wody Objętość próbki [cm ] Wyniki oznaczenia alkaliczności m Objętość 0, M HCl zużyta wobec oranżu metylowego [cm ] 00 5, , ,0 Wartość średnia z miareczkowania (b) 5,7 Tabela Obliczona alkaliczność m [mval/dm ] [ppm CaCO ] 5,7 258,5 Alkaliczność wody m wobec oranżu metylowego obliczono wg wzoru []: gdzie: b 00 m V mval/dm b średnia objętość 0, M roztworu kwasu solnego zużyta do miareczkowania badanej wody do ph 4,5, w cm, V objętość próbki wody wziętej do badania, cm. 5,7 00 m 5,7 mval/dm 00 Przeliczenia alkaliczności m w mval/dm na alkaliczność w ppm CaCO, dokonano na podstawie poniższej proporcji: mval 50 mg CaCO 5,7 mval x 5,7 50 x 258,5 ppm CaCO 4

5 .. OBLICZANIE ZAWARTOŚCI JONÓW I ZWIĄZKÓW CHEMICZNYCH W WODZIE KOTŁOWEJ POWODUJĄCYCH JEJ ALKALICZNOŚĆ Korzystając z danych zawartych w tabelach 2 i określono związek pomiędzy oznaczonymi wartościami alkaliczności p i m badanej wody. Związek ten dotyczy przypadku, m gdy p lub inaczej 2 p m. Zakładając, że w badanej wodzie brak fosforanów, obliczono 2 na podstawie danych zawartych w tabeli 4 zawartość jonów w wodzie dla tego przypadku. Zawartość jonów powodujących alkaliczność badanej wody dla przypadku Tabela 4 2 p m [-4] Zawartość jonów [OH ] [mval/dm ] Zawartość jonów [HCO ] [mval/dm ] Zależność Wartość Zależność Wartość między p i m liczbowa między p i m liczbowa 2 p m 0, p m Zawartość jonów [CO ] [mval/dm ] Zależność Wartość między p i m liczbowa 2 m p 4,84 Poniżej podano obliczenia, które służyły do przeliczenia oznaczonej alkaliczności wody kotłowej na zawartość w mg/dm jonów oraz związków zasadowych sodu dla rozpatrywanego przypadku 2 p m. Polegały one na tym, że mnożono wartości liczbowe alkaliczności z tabeli 4 (0, i 4,84) przez odpowiednie miligramorównoważniki tych jonów i związków. Obliczenia: Zawartość jonów wodorotlenowych: [OH ] = 0, 7 = 5,6 mg/dm Zawartość wodorotlenku sodu: [NaOH] = 0, 40 =,2 mg/dm Zawartość jonów węglanowych: [CO 2 ] = 4,84 0 = 45,2 mg/dm Zawartość węglanu sodu: [Na2CO] = 4,84 5 = 256,52 mg/dm 4. SPOSÓB OPRACOWANIA UZYSKANYCH WYNIKÓW Na podstawie oznaczonego ph oraz alkaliczności p i m badanej wody kotłowej dokonano oceny jej jakości i przydatności eksploatacyjnej do wybranego typu kotłów okrętowych oraz przeanalizowano ewentualne uzdatnienie wody na statku, wynikające z tej oceny. 4.. WYMAGANE KATALOGOWE PARAMETRY TECHNICZNE WODY DLA WYBRANEGO KOTŁA W celu przeciwdziałania korozji wewnątrzkotłowej i tworzeniu się piany w kotle, woda kotłowa powinna mieć odpowiednią wartość ph i alkaliczność, zależne od warunków pracy kotła i jego typu. Przyjęto, że badano wodę z kotła Unitor pracującego pod ciśnieniem, 4,2 MPa. Dla tego typu kotła ph powinno być utrzymywane w zakresie 8, do 9 w temperaturze 20ºC, alkaliczność typu p powinna zawierać się w przedziale ppm natomiast alkaliczność typu m stanowi dwukrotność przedziału alkaliczności typu p (patrz tabela 6). 5

6 4.2. OCENA BADANYCH PARAMETRÓW WODY Tabela 5 Zestawienie wymaganych wartości badanych parametrów oraz rzeczywistych wyników badań Opis ph Alkaliczność p [ppm] m [ppm] Wymagane parametry 8, 9, Uzyskane wyniki badania 9,9 7,5 258,5 Uwagi Przekroczona wartość ph Bez uwag Bez uwag W wyniku badania próbki wody kotłowej z kotła Unitor pracującym pod ciśnieniem roboczym w zakresie, do 4,2 MPa stwierdzono przekroczenie ph o 0,9 (woda zbyt alkaliczna) natomiast wartości alkaliczności typu p i m mieszczą się w wymaganym zakresie. 5. WNIOSKI KOŃCOWE W związku z przekroczeniem dopuszczalnej wartości ph należy dokonać szumowania dolnego kotła oraz uzupełnić poziom wody wodą zasilającą kocioł o ph mniejszym w celu obniżenia ph do wymaganego zakresu. Zbyt wysoka wartość ph może powodować powstanie korozji ługowej (międzykrystalicznej) w kotle. Alkaliczności badanej wody mieszczą się w wymaganym zakresie, a zatem nie wymagają żadnej korekty (nie ma potrzeby dodawania preparatów korygujących alkaliczność). STOSOWANIE FIRMOWYCH PREPARATÓW KORYGUJĄCYCH ALKALICZNOŚĆ WODY W celu utrzymania alkaliczności p wody zasilającej w czasie eksploatacji na właściwym poziomie (00 50 ppm CaCO), należy stosować np. wg zaleceń firmy Unitor dodatek preparatu uzdatniającego Combitreat w ilości 0,2 0, kg na 000 dm kondensatu lub preparatu Liquitreat w ilości,2 0,6 dm na 000 dm kondensatu. Jeżeli analiza wykazałaby zbyt niską wartość alkaliczności wody kotłowej, to wówczas należałoby dodać tych środków uzdatniających. Natomiast przy zbyt wysokiej alkaliczności wody należałoby przeprowadzić szumowanie dolne kotła oraz uzupełnić poziom wody, wodą zasilającą o odpowiednio skorygowanej alkaliczności. Firma Unitor zaleca stosowanie początkowej dawki preparatu Combitreat w ilości 00 g na tonę wody. Dawka 00 g/tonę wody tego środka podnosi poziom alkaliczności p o 50 ppm. Początkowa dawka preparatu Liquitreat wynosi 2 dm na tonę wody, a ilość 0,8 dm /tonę wody podnosi alkaliczność p o 50 ppm. 6

7 6. ZADANIA I PYTANIA POLECONE DO SAMODZIELNEGO WYKONANIA 6.. PYTANIE DO SAMODZIELNEGO OPRACOWANIA Badana woda kotłowa zabarwia się po dodaniu fenoloftaleiny. Napisać, jakie reakcje chemiczne zachodzą podczas oznaczania alkaliczności tej wody, jeżeli alkaliczność wyraża się zależnością: m 2 p lub inaczej 2 p m. Określić także zawartość jonów oraz związków sodu powodujących tę alkaliczność. Odpowiedź: Jeżeli badana woda nie zawiera innych związków zasadowych (np. fosforanów) oprócz wodorotlenków, węglanów i wodorowęglanów, to na podstawie podanej wyżej wzajemnej zależności pomiędzy wielkościami p i m, która ma postać 2 p m, należy rozważyć następujący możliwy wariant zasadowości wody: badana woda może zawierać wodorowęglany i węglany, nie zawiera natomiast wodorotlenków, ponieważ współistnienie wodorotlenków i wodorowęglanów wyklucza się wzajemnie, zgodnie z poniższą reakcją cząsteczkową i jonową: NaHCO + NaOH Na2CO + H2O HCO + OH CO 2 + H2O Reakcje zachodzące podczas miareczkowania kwasem solnym, tj. podczas oznaczania zasadowości badanej wody są następujące: Na2CO + HCl NaHCO + NaCl NaHCO + HCl NaCl + CO2 + H2O lub w postaci jonowej: CO 2 + H + HCO HCO + H + H2CO CO2 + H2O Zawartość wodorowęglanów i węglanów obliczamy z następującego układu równań: 2 p, 2 m, OH 0 2 CO HCO CO Wartość 2p odpowiada zawartości węglanów obojętnych, zaś nadwyżka m w stosunku do 2p oznacza, że w wodzie znajdują się również wodorowęglany. Ostatecznie więc na alkaliczność badanej wody kotłowej składają się następujące zawartości jonów lub związków zasadowych przeliczonych na związki sodu, które to obliczamy mnożąc wartość alkaliczności przez odpowiednie równoważniki tych jonów lub związków. [CO 2 ] = 2p [mval/dm ] i [HCO ] = (m 2p) [mval/dm ] Ilość jonów węglanowych wynosi zatem: [CO 2 ] = 2p 0 [mg/dm ] Ilość węglanu sodu Na2CO wynosi: 2p 5 [mg/dm ] Ilość jonów wodorowęglanowych wynosi: [HCO ] = (m 2p) 6 [mg/dm ] Ilość wodorowęglanu sodu NaHCO wynosi: (m 2p) 84 [mg/dm ] 7

8 6.2. ZADANIE DO SAMODZIELNEGO OPRACOWANIA Do 25 cm 0, M roztworu HCl dodano 24 cm 0,5 M roztworu NaOH. Nadmiar NaOH uznać za całkowicie zdysocjowany w roztworze. Obliczyć ph otrzymanego roztworu oraz określić jego odczyn chemiczny. Rozwiązanie: Nadmiar NaOH w roztworze wynosi: 24 cm 0,5 M 25 cm 0, M =,6 2,5 =, mmola Łączna objętość roztworu wynosi: 25 cm + 24 cm = 49 cm Stężenie jonów wodorotlenowych OH jest równe:, OH 0,0224 mmol/cm 49 po przeliczeniu na mole/dm wynosi OH 2, mol/dm Znając stężenie jonów OH obliczamy poh roztworu: poh = log[oh ], poh = log (2, ) poh = (log 2,24 + log 0 2 ) = (0,5 2) =,65 Zatem ph roztworu wynosi: ph + poh = 4, ph = 4 poh = 4,65 = 2,5 Odpowiedź: ph otrzymanego roztworu wynosi 2,5 (ph > 7), czyli roztwór ten jest alkaliczny (zasadowy). Opracowali: dr inż. Agnieszka Kalbarczyk-Jedynak dr inż. Jan Krupowies mgr inż. Czesław Wiznerowicz 8