Technologia Wody Wykład 13(7)

Transkrypt

1 Technologia Wody Wykład 13(7) OCZYSZCZANIE WODY DO CELÓW PRZEMYSŁOWYCH Politechnika Koszalińska Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska

2 Zużycie Wody w Polsce Przeznaczenie Zużycie w latach (hm 3 ) Przemysł Gosp. komunalna R i L hm 3 =?

3

4 Q (m3/d) Zasoby dyspozycyjne- zasoby naturalne Odnowa wody Zasoby dyspozycyjne-z4 Zasoby dyspozycyjne-z Zasoby naturalne Zasoby dyspozycyjne-z2 Zasoby dyspozycyjne-z1 Zapotrzebowanie na wodę k1 k2 k3 k4 k5 t(lata)

5 SYSTEMY WYKORZYSTANIA WODY U 1 O 1 U 2 O 2 U 1 O 1 U 2 O 2 U 3 O 3 U 3 O 3 Równoległy Szeregowy U 1 U 2 O 1 O 2 Obiegowy

6 Skład wody określany jest przez normy branżowe. Normy branżowe są różne - - zależą od przeznaczenia wody.

7 Woda dla przemysłu spożywczego Wskaźnik Jednostka NDS (USA) NDS (Po Kwasowość g H 2 SO 4 /m 3 0 Zasadowość g CaCO 3 /m ph 6,8 8,5 Barwa g Pt/m 3 Zawiesiny g /m ,1 Twardość g CaCO 3 /m Wapń g Ca/m Chlorki g Cl/m Siarczany g SO 4 /m Żelazo g Fe/m 3 0,2 0,2 Mangan g Mn/m 3 0,2 0,05 Krzemionka g SiO 2 /m 3 50 Fenole g /m 3 0 0,0 Azotany g N/m Azotyny g N/m 3 0 0,0 Subst. rozp. g /m Ekstrakt eter g /m 3 0,2

8 WYMAGANIA SPECYFICZNE PRZEMYSŁ WYMAGANIA WŁÓKIENNICZY Twardość 1,0-2,5 val/m 3 Mętność 0 Barwa 0 Żelazo 0 Mangan 0 FARBIARSKI Twardość < 1,5 val/m 3 Barwa < 20 g PT/m 3 Fe + Mn < 0,2 g/m 3 Zawiesiny 0 BIELENIE Żelazo < 0,05 G Fe/m 3 Mangan < 0,01 g Mn/m 3 PAPIERNICZY Barwa < 15 g PT/m 3 Zawiesiny 0-20 g/m 3 Utlenialność 5-20 g/m 3 ph 7,0-7,5 Twardość 0,8-8 val/m 3

9 Największe ilości wody stosuje się do celów chłodniczych i wytwarzania pary. Wody te muszą charakteryzować się małą twardością Usuwanie twardości wody nazywamy zmiękczaniem.

10 WODA DO CELÓW CHŁODNICZYCH Wymagania podstawowe niska temperatura ( W = Q/c T ) stabilna i niekorozyjna ( I = ph rz /ph s ) termostabilna [ I 1 = m 0 /m; I 2 = (m 0 -m)50 ] Wymagania dodatkowe T W < 2,86 val/m 3 Obecność koloidów organicznych Brak żelaza i manganu Ograniczone stężenie związków rozpuszczalnych Brak organizmów żywych

11 WODA DO CELÓW KOTŁOWYCH (1) jakość zależy od mocy urządzenia, jakości opału, typu wymiennika wyższe wymagania dotyczą jakości pary

12 WODA DO CELÓW KOTŁOWYCH (2) Woda obiegowa Woda do uzupełniania ph > 8,5 Twardość (val/m 3 ) < 0,035 < 0,02 Tlen (go 2 /m 3 ) < 0,05 < 0,03 Siarczyny (g/m 3 ) 3-2 Fosforany (g/m 3 ) < 10 < 5 Zawiesina (g/m 3 ) < 5 < 5 Ekstrakt (g/m 3 ) < 1 < 1 Żelazo (g/m 3 ) 0,01 Utlenialność (g/m 3 ) 20

13 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)

14

15

16

17

18 CHEMICZNE WŁAŚCIWOŚCI WODY Iloczyn jonowy (ph) Twardość wody (ΣHe 2+ ) Iloczyn rozpuszczalności (IR=1/2Σc z 2 ) Rozpuszczalność (C%, C m ) Kwasowość wody

19 KAMIEŃ KOTŁOWY wytrącanie (odparowywanie wody, zmniejszenie rozp., współdziałanie jonów) substancje kamieniotwórcze Ca(HCO 3 ) 2 ; CaSiO 3 ; Mg(HCO 3 ) 2 ; MgSiO 3

20 SKŁAD KAMIENIA KOTŁOWEGO CaSO 4 2H 2 O CaSO 4 CaCO 3 Mg(OH) 2 MgSO 4 MgSiO 3 4MgO 2 SiO 2 2H 2 O

21 RODZAJE KAMIENIA KOTŁOWEGO węglanowy (do 90% CaCO 3, ν = 0,5-5,0 kcal/m h C) gipsowy (ok. 50% CaSO 4, ν = 0,2-2,0 kcal/m h C) krzemianowy (ok. 25% CaSiO 3, ν < 0,1 kcal/m h C)

22 DZIAŁANIE KAMIENIA KOTŁOWEGO przegrzewanie metalu straty ciepła gazów spalinowych obniżenie temp. ogrzewanej wody obniżona wydajność kotła

23 STRATY PALIWA (60% KOSZTÓW) 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

24 KOROZYJNOŚĆ WODY korozja chemiczna : pod wpływem gazów suchych korozja elektrochemiczna : lokalne ogniwa galwaniczne

25 KOROZJA CEMICZNA ( t > 400 C) 3Fe + 4H 2 O Fe 3 O 4 + 4H 2 (t < 570 C) Fe + H 2 O FeO + H 2 (t < 550 C) 3FeO + H 2 O Fe 3 O 4 + H 2

26 WYMAGANIA STAWIANE WODZIE KOTŁOWEJ Wymagania Ciśnienie Mineraliz. Krzemionka Fosforany Prz. elekt. MPa mval/dm 3 mg/dm 3 mg/dm 3 ms/m 4-6,4 < 3 < 10 < 10 < ,4-8 < 1 < 4 < 3 < < 0,3 < 1 < 3 < < 0,1 < 0,5 < 3 < 50

27 Zagadnienia - wody przemysłowe a konsumpcyjne - sposoby gospodarki wodą - sposoby zwiększania zasobów wody - negatywne efekty kamienia kotłowego - rodzaje korozji

28 TECHNOLOGIA WODY III - WYKŁAD 4 - Kamień kotłowy

29 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

30 I = 0 woda stabilna I > 0 wytrącanie CaCO 3 I < 0 rozpuszczanie CaCO 3(korozja)

31 MATERIAŁY ULEGAJĄCE KOROZJI (c.d.) c) indeks Ryzmer a IR = 2pH s - ph rz IR>6,8 (woda korozyjna)

32 Oznaczanie ph S (stężenia jonów wodorowych wody stabilnej) ph S = lg L lg K 2 lg Ca 2+ lg HCO 3 2 zasadowość ogólna (mg CaCO 3 /dm 3 ) twardość wapniowa (mg CaCO 3 /dm 3 ) druga stała dysocjacji kwasu węglowego iloczyn rozpuszczalności CaCO 3 ph S = ( 9,3 + A + B ) ( C + D ) zasadowość twardość wapniowa temperatura stężenie soli

33 Obliczanie phs oraz I -sucha pozost. 140 mg/dm3 -twardość wapn. 1,4 mval/dm S = zasodowość 0,4 mval/dm3 -temperat. 20oC -odczyn ph 6,8 phs = lg (5, / 4, ) - lg 0,4 - lg 1,4 + 0,11 = 8,9 I =ph - phs = 6,8-8,9 = -2,1

34 GŁÓWNE PROBLEMY WYNIKAJĄCE Z niestabilnej wody w przewodach korozja kamień kotłowy muły mikroorganizmy

35 PROBLEMY Korozja Osady organiczne Kamień kotłowy Organizmy krystaliczny bezpostaciowy

36 RODZAJE OSADÓW osady krystaliczne osady bezpostaciowe

37 Struktura osadów w rurociągach wody pitnej Strefa tlenowa Warstwa przejściowa ~~~~~ α FeOOH MnO 2 CaCO 3 CaSO 4 2H 2 O α FeOOH Fe 3 O 4 Strefa beztlenowa Strefa redukcyjna Żeliwo α FeOOH γ FeOOH FeCO 3 FeS Fe 3 (PO 4 ) 2 6H 2 O FeCO 3 FeO C SiO 2 Fe 3 P Fe

38 Rozpuszczalność 1. Mineralizacja kationy Na +, Ca 2+, Mg aniony SO 4, Cl -, HCO 3- a) mineralizacja / siła jonowa b) mineralizacja / zasolenie

39 Iloczyn rozpuszczalności K S CA [C + ]+[A ] IR = C A ( ) [ ] [ ] CaCO 3 Ca 2+ + CO 3 2 K S = [ 2+ Ca ] + [ CO ] KS = 4,

40 PRZYKŁADY ILOCZYNÓW ROZPUSZCZALNOŚCI K S Rozpuszczalność mg/dm 3 NaCl CaCl BaCl CaCO 3 4, CaSO 4 6, BaSO 4 1, ,2 Ca 3 (PO 4 ) 2 1, Fe(OH) 3 1, Fe(OH) 2 1,

41 b) mechanizm tworzenia kamienia kotłowego warunkiem koniecznym jest przekroczenie iloczynu rozpuszczalności (przesycenie roztworu) dwia etapy powstawania kamienia 1. tworzenie zarodków 2. faza wzrostu

42 fosforany (wapnia i magnezu) / Ca 3 (PO 4 ) 2 Mała rozpuszczalność. Aniony fosforanowe pochodzą z wody rozcieńczającej lub substancji inhibujących korozję (polifosforany). siarczan wapnia / CaSO 4 krzemionka / SiO 2, krzemiany / MgSiO 3 Mała rozpuszczalność przy małym ph i wysokiej temperaturze. Tworzą twarde, przylegające i dobrze termicznie izolujące osady. Często tworzą je krzemiany magnezu MgSiO 3.

43 WŁAŚCIWOŚCI I RODZAJE KAMIENIA KOTŁOWEGO Wskaźniki charakteryzujące kamień kotłowy a) porowatość b) ciężar właściwy c) twardość d) przewodnictwo e) cieplne f) skład chemiczny

44 ad a Porowatość kamienia kotłowego n = γ rz γ γ poz poz = 100 % γ rz rzeczywisty ciężar właściwy kamienia kotłowego (po odliczeniu porów) γ poz pozorny ciężar właściwy kamienia kotłowego (bez odliczenia porów)

45 ad b Ciężar właściwy γ = m m w v 1 v ( 3 g/cm ) m k masa kamienia m w masa wody v objętość (cm 3 ) g ciężar właściwy (rzeczywisty lub pozorny)

46 ad c Twardość dziesięciostopniowa skala twardości talk gips spat ist. fluoryt apatyt ortoklaz kwarc topaz korund diament twardość kamienia kotłowego mieści się w przedziale od 4 do 7

47 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

48 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 d) tworzenie kolonii mikroorganizmów e) korozja pod warstwą osadu