ΑΤΜΟΛΕΒΗΤΕΣ - ΑΤΜΟΣΤΡΟΒΙΛΟΙ

Transcript

1 Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΑΤΜΟΛΕΒΗΤΕΣ - ΑΤΜΟΣΤΡΟΒΙΛΟΙ ΤΟ ΝΕΡΟ ΤΩΝ ΑΤΜΟΠΑΡΑΓΩΓΩΝ ΥΠΟ: ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΑΛΕΞΗ Διπλ/χου Ναυπηγού Μηχανολόγου Μηχανικού Ε.Μ.Π. Διδ/ρος Μηχανολόγου Μηχανικού Ε.Μ.Π. 2004

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Γενικά 2. Βασικές έννοιες 2.1 Αλκαλικότητα 2.2 Σκληρότητα 2.3 Αλκαλικότητα p και m 2.4 Αγωγιμότητα 3. Επιπτώσεις από την ύπαρξη ξένων ουσιών στο τροφοδοτικό νερό 3.1 Εναπόθεση αλάτων 3.2 Διοξείδιο του άνθρακα 3.3 Οξυγόνο 3.4 Καυστική διάβρωση 3.5 Ψαθυροποίηση από υδρογόνο 3.6 Πυριτικά οξέα 3.7 Χαλκός και Σίδηρος 3.8 Χημική και μηχανική διάβρωση 4. Συστήματα επεξεργασίας τροφοδοτικού νερού ατμοπαραγωγών 4.1 Φίλτρα άμμου 4.2 Αφαίρεση CO Αφαίρεση Fe 4.4 Αφαίρεση Mn 4.5 Εναλλάκτες ιόντων και ρητίνες Αποσκληρυντές Απιονιστές Απαλκαλιωτές Συνδεσμολογίες παραγωγής αφαλατωμένου νερού 4.6 Απαεριωτές 5. Ελεγχος του τροφοδοτικού νερού

3 ΤΟ ΝΕΡΟ ΤΩΝ ΑΤΜΟΠΑΡΑΓΩΓΩΝ 1. Γενικά Ένα από τα σοβαρότερα προβλήματα για την ασφαλή λειτουργία των ατμοπαραγωγών, είναι η ποιότητα του νερού, τόσο του τροφοδοτικού όσο και αυτού που κυκλοφορεί εντός του ατμοπαραγωγού. Αυτό οφείλεται στην ύπαρξη αλάτων κυρίως Ca, Mg και NaCl καθώς και των αερίων Ο 2 και CO 2. Τα άλατα επικάθονται στα εσωτερικά τοιχώματα των αγωγών με αποτέλεσμα τη στένωση της διατομής τους μέχρι τελικού φραγμού, την ελάττωση του συντελεστή μετάδοσης θερμότητας με συνέπεια την δημιουργία τοπικών υπερθερμάνσεων και την τελική καταστροφή των στοιχείων του λέβητα. Η ύπαρξη των αερίων Ο 2 και CO 2 είναι πολλές φορές η αίτια εκτεταμένων βλαβών τόσο στους αγωγούς του ατμοπαραγωγού όσο και στα δίκτυα συμπυκνωμάτων. Έχει δε παρατηρηθεί ότι όσο αυξάνονται οι πιέσεις τόσο το πρόβλημα δυσχεραίνεται. Στη διαδικασία παραγωγής του ατμού, ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα άλατα ασβεστίου και μαγνησίου που αποτελούν είτε την ανθρακική, είτε τη μη ανθρακική σκληρότητα καθώς και τα άλατα του νατρίου, καλίου και πυριτίου. Τα φυσικά νερά ανήκουν σε δυο κατηγορίες: Υπόγεια νερά τα οποία λαμβάνουμε από φρεάτια ή πηγές. Είναι συνήθως καθαρά λόγο φιλτραρίσματος το οποίο γίνεται στα διάφορα υπόγεια στρώματα. Περιέχουν όμως συχνά σίδηρο, οξυγόνο καθώς και διοξείδιο του άνθρακα. Επιφανειακά νερά τα οποία λαμβάνουμε από ποτάμια ή λίμνες. Εκτός των οργανικών ουσιών που μεταφέρουν έχουν πολύ οξυγόνο εξ αιτίας της ανάμιξης τους με τον αέρα κατά την αναταραχή του νερού από την ροή του. Τα φυσικά νερά ως γνωστόν δεν είναι χημικώς καθαρά νερά αλλά περιέχουν διάφορες ύλες, διαφορετικής σύστασης και μεγέθους. Παρακάτω αναφέρονται διάφορες φυσικές έννοιες (παραμέτρους) που χαρακτηρίζουν την ποιότητα του νερού και είναι αιτία λίγο πολύ στη δημιουργία λειτουργικών και κατασκευαστικών προβλημάτων στους ατμοπαραγωγούς. Το θέμα της παραγωγής κατάλληλου νερού τροφοδοσίας και διατήρησης της ποιότητάς του στον ατμοπαραγωγό είναι πολύ σημαντικό για την τεχνική της ατμοπαραγωγής και απαιτεί κατά περίπτωση μελέτη. Εδώ θα παραθέσουμε βασικές έννοιες και τεχνικές που θα βοηθήσουν τον μηχανικό σε μια αρχική βασική κατανόηση της όλης διαδικασίας.

4 2. Βασικές έννοιες 2.1 Αλκαλικότητα Η αλκαλικότητα του νερού προκαλείται από την παρουσία των ΟΗ -. Σαν μέγεθος μέτρησης της αλκαλικότητας του νερού είναι η τιμή του ph, που ορίζεται ως ο αρνητικός λογάριθμος της συγκέντρωσης των Η +. Έτσι: ph = - log [H + ] ph = 7 σημαίνει νερό ουδέτερο ph < 7 σημαίνει νερό όξινο ph > 7 σημαίνει νερό αλκαλικό Τα όξινα νερά είναι διαβρωτικά, ενώ τα αλκαλικά προσβάλλουν το χαλκό, το αλουμίνιο και τα κράματα τους. Η δε μεγάλη αλκαλικότητα στο νερό του ατμοπαραγωγού προκαλεί αναβράσεις, δηλαδή συμπαρασύρεται νερό μαζί με τον παραγόμενο ατμό. Με την αύξηση της θερμοκρασίας μειώνεται το ph όπως φαίνετε στο παρακάτω σχήμα ph Θερμοκρασία ( C) Σχήμα 2.1 Μεταβολή του ph με τη θερμοκρασία 2.2 Σκληρότητα Η ύπαρξη αλάτων, κυρίως ασβεστίου και μαγνησίου, αποτελούν τη σκληρότητα του νερού. Διακρίνεται σε ανθρακική σκληρότητα που αντιστοιχεί στην ύπαρξη όξινου ανθρακικού ασβεστίου Ca(HCO 3 ) 2 και όξινου ανθρακικού μαγνησίου Mg(HCO 3 ) 2 και σε μη ανθρακική σκληρότητα που αντιστοιχεί στα κατιόντα Ca ++ και Mg ++ που είναι ενωμένα με τα ανιόντα SO - 4, Cl - και NO - 3.

5 Η ανθρακική σκληρότητα είναι παροδική αλλά και πολύ διαβρωτική και σε υψηλή θερμοκρασία διασπάται: Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Η μη ανθρακική σκληρότητα είναι μόνιμη και αποφεύγεται με την βοήθεια χημικών προσθέτων. Το άθροισμα της ανθρακικής και μη ανθρακικής σκληρότητας, δίνει την ολική σκληρότητα. Γενικά η σκληρότητα εκφράζεται με διάφορες μονάδες σε ισοδύναμο οξείδιο του ασβεστίου η ανθρακικό ασβέστιο. Γερμανικοί βαθμοί ( o d ): 1 ο d = 10 mg CaO/lt. Γαλλικοί βαθμοί ( o f ) : 1 o f = 10 mg CaCO 3 /lt ή 10 ppm CaCO 3 /lt Αγγλικοί βαθμοί ( ο e): 1 o e = 7 mg CaCO 3 /lt ή 7 ppm CaCO 3 /lt Σημείωση: 1ppm = 0,1 o f = 0,057 o d = 0,07 o e ή 1 o d = 1,75 o f = 1,22 o e = 17,5 ppm 2.3 Αλκαλικότητα p και m Η αλκαλικότητα του νερού εντός του ατμοπαραγωγού και η αίτια προέλευση της, εκτιμάται με τις τιμές των μέτρων p και m. Ο προσδιορισμός των τιμών p και m με χρήση οξέος, δίνουν πληροφορίες ως προς την αλκαλικότητα του νερού, αντιθέτως με τη χρήση βάσης δίνουν πληροφορίες ως προς την οξύτητα του νερού. Α) Χρήση οξέος Σε 100 ml νερού ρίχνουμε μερικές σταγόνες ( 0,5 ml ) φαινολοφθαλεϊνης p οπότε εάν υπάρχει αλκαλικότητα p το νερό χρωματίζεται ερυθρό. Στη συνεχεία με μια βαθμονομημένη n σε (ml) πιπέτα, ρίχνουμε σταγόνα σταγόνα δεκατονικό διάλυμα HCl, μέχρις ότου το 10 διάλυμα ξαναγίνει διαυγές. Η χρησιμοποιηθείσα ποσότητα 10 n HCl σε ( ml ) χαρακτηρίζει την αλκαλικότητα p μετρούμενη σε mval/lt. Εάν στην ίδια διαδικασία στη συνεχεία προσθέσουμε ( 0,1 ml ) βάμμα του ηλιοτροπίου n (m) το νερό χρωματίζεται κίτρινο. Προσθέτοντας με τη βαθμονομημένη πιπέτα HCl 10 μέχρις ότου το διάλυμα γίνει φαιοκίτρινο, η χρησιμοποιηθείσα ποσότητα 10 n HCl σε (ml) συνολικά, χαρακτηρίζει την αλκαλικότητα m.

6 Αναφέρουμε μερικές ειδικές περιπτώσεις: α) Αν υπάρχει σκληρότητα και p = 0, m>0 : τότε η τιμή m εκφράζει την ανθρακική σκληρότητα και είναι: ο d = m 2,8 β) Αν δεν υπάρχει σκληρότητα και p = 0, m>0 : τότε η τιμή m οφείλεται στο NaHCO 3 και η ποσότητα του είναι: mg/lt = m 84 γ) Αν υπάρχει σκληρότητα και p>0, m>0 : τότε συνυπάρχουν NaOH, Na 2 CO 3, Ca(OH) 2, CaCO 3, NaHCO 3 και οξυανθρακικά άλατα. δ) Αν δεν υπάρχει σκληρότητα και p>0, m>0 : τότε συνυπάρχουν NaOH, Na 2 CO 3, NaHCO 3. Να σημειώσουμε όμως ότι στην πράξη επαρκούν οι τιμές p και m και δεν ενδιαφερόμαστε για το που οφείλονται αυτές. Β) Χρήση βάσης Αντίστοιχα με τη χρήση οξέος είναι και η περίπτωση αυτή, αντί όμως του 10 n HCl χρησιμοποιείται δεκατονικό διάλυμα 10 n NaOH με πρώτο δείκτη το βάμμα του ηλιοτροπίου (m) και δεύτερο δείκτη την φαινολοφθαλεϊνη p. Επομένως η πρώτη μέτρηση σε (ml) της n χρησιμοποιηθείσης NaOH δίνει το μέτρο m, ενώ η συνολική ποσότητα της 10 n χρησιμοποιηθείσης NaOH δίνει το μέτρο p. Οι τιμές που μετρήθηκαν εκτιμούν: 10 Το ανθρακικό οξύ μετά τους εναλλάκτες κατιόντων: m = mval/l Το CΟ 2 : (p m) 2 = mval/l Τέλος να αναφέρουμε ότι τα mg/l ενός κατιόντος ή ανιόντος που μετρήθηκε σε μια ποσότητα νερού συνδέεται με τα meq/l = mval/l με τη σχέση: mval/l (meq/l) = mg/l ml σθένος = MΒ 100

7 2.4 Αγωγιμότητα Σε μικρές συγκεντρώσεις αλάτων η ηλεκτρική αγωγιμότητα του υγρού είναι ευθέως ανάλογη της συγκέντρωσης των αλάτων (της σκληρότητας). Επειδή η ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι εύκολα μετρήσιμη (αισθητήριο ηλεκτρικής αγωγιμότητας), μετράμε αυτή αντί της σκληρότητας. Η μονάδα μέτρησης είναι μs/cm και αντιστοιχεί: 1μS/cm = 0,55 mg NaCl/lt στους 20 ο C 3. Επιπτώσεις από την ύπαρξη ξένων ουσιών στο τροφοδοτικό νερό Σ αυτήν την ενότητα παρουσιάζονται οι συνέπειες (φθορές ή βλάβες) στα στοιχεία / τμήματα του ατμοπαραγωγού εξ αιτίας των ξένων ουσιών που υπάρχουν στο τροφοδοτικό νερό. Οι ξένες ουσίες στο τροφοδοτικό νερό είναι επιβλαβείς και είναι η αιτία που σχηματίζουν το λεγόμενο λεβητόλιθο, τη χημική και μηχανική διάβρωση διαφόρων επιφανειών κ.λ.π. 3.1 Εναπόθεση αλάτων Τα διάφορα άλατα σχηματίζουν πάνω στις εσωτερικές επιφάνειες των αυλών επικαθίσεις που συνιστούν το λεγόμενο λεβητόλιθο, ο οποίος είναι άλλοτε σκληρός και άλλοτε πολτώδης, ανάλογα με το είδος των αλάτων. Έτσι η σύσταση του λεβητολίθου εξαρτάται από: 1. Την ποιότητα του νερού 2. Το βαθμό υπερθέρμανσης 3. Τη μόλυνση από ουσίες των συμπυκνωμάτων 4. Το μέγιστο επιτρεπόμενο βαθμό συμπύκνωσης Τα σημαντικότερα άλατα που σχηματίζουν αποθέσεις είναι τα CaCO 3, CaSO 4, και MgSO 4 των οποίων η διαλυτότητα βαίνει μειούμενη αυξανόμενης της θερμοκρασίας. Επίσης η συγκέντρωση όξινων ανθρακικών ριζών οι οποίες μετατρέπονται σε λιγότερο διαλυτές ανθρακικές ρίζες με την αύξηση του ph, σύμφωνα με την εξίσωση: Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + CO 2 + H 2 O καθώς και σχηματισμός υδροξειδίου του μαγνησίου σύμφωνα με την εξίσωση: MgCO 3 + H 2 O Mg(OH) 2 + CO 2 είναι άλλες αιτίες σχηματισμού λεβητολίθου.

8 Σε θερμοκρασίες κάτω από 80 o C ο λεβητόλιθος κυρίως σχηματίζεται από CaCO 3. Μεταξύ ο C ο λεβητόλιθος έχει αυξημένη περιεκτικότητα σε Mg(OH) 2 μαζί με CaCO 3. Πάνω από 100 o C ο λεβητόλιθος περιέχει μεγάλο ποσοστό CaSO 4 (γύψος). Η εναπόθεση αυτή των αλάτων στην επιφάνεια των αυλών εμποδίζει την μετάδοση της θερμότητας προς το νερό, καθώς επίσης και τη ροή του νερού, με συνέπεια τη μείωση της απόδοσης του ατμοπαραγωγού. Η μη μετάδοση της θερμότητας στο νερό έχει σαν αποτέλεσμα την υπερθέρμανση της επιφάνειας των αυλών, την ερυθροπύρωση και διόγκωση τους και στη συνεχεία τη θραύση του λεβητολίθου. Το ερυθροπυρωμένο υλικό έρχεται σε επαφή με το νερό και συστέλλεται απότομα, ενώ αναπτύσσεται υπερβολική πίεση λόγω της τοπικής εξάτμισης. Κατόπιν αυτού ο αγωγός σπάει ή και εκρήγνυται. Στο Σχήμα 3.1 παρουσιάζεται η αύξηση της θερμοκρασίας του υλικού του αυλού λόγω ύπαρξης εποκαθήσεων. Επικαθίσεις αλάτων Πάχος αυλού Κατανομή της θερμοκρασίας με επικαθίσεις αλάτων Κατανομή της θερμοκρασίας χωρίς επικαθίσεις αλάτων Σχήμα 3.1 Ροή θερμότητας σε αυλό με επικαθήσεις αλάτων και χωρίς επικαθήσεις 3.2 Διοξείδιο του άνθρακα Το CO 2 περιέχεται σε όλα τα νερά σε ελεύθερη μορφή ή σε ενώσεις και διαβρώνει το σίδηρο. Η ύπαρξη όμως του CO 2 οφείλεται επίσης και στη θερμική η χημική επεξεργασία του. Πρέπει δε να απομακρύνεται με την απαερίωση. Κατά τη διάρκεια του βρασμού πραγματοποιούνται οι εξής αντιδράσεις: Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Mg(HCO 3 ) 2 MgCO 3 + CO 2 + H 2 O

9 To CaCO 3 είναι δυσδιάλυτο ενώ το MgCO 3 είναι διαλυτό και μετά από μακροχρόνιο βρασμό μετατρέπεται σε δυσδιάλυτο Mg(OH) 2 : MgCO 3 + H 2 O Mg(OH) 2 + CO 2 To CO 2 αυτό, που οδεύει μαζί με τον ατμό, είναι πολύ διαβρωτικό. Η διαλυτότητα του CO 2 και του O 2 μέσα στο νερό είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας και της μερικής πίεσης στην οποία βρίσκεται το συγκεκριμένο αέριο. Έχει δε παρατηρηθεί ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας μειώνεται η διαλυτότητα στο νερό τόσο του CO 2 όσο και του O 2. Η αύξηση της ποσότητας του CO 2 εντός του νερού των ατμοπαραγωγών έχει δυσμενείς συνέπειες τόσο στο ph (μείωση) όσο και στην αγωγιμότητα (αύξηση), όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Page 31 Σχήμα 3.2 Μεταβολή του ph και της αγωγιμότητας σε συνάρτηση με τη συγκέντρωση του CO 2 εντός του ατμοπαραγωγού στους 20 o C Είναι πιθανό και μετά την απαερίωση να ενυπάρχει κάποιο ποσοστό O 2 και CO 2 στο αποσταγμένο ή αφαλατωμένο νερό του ατμοπαραγωγού. Το πρώτο δεσμεύεται με υδραζίνη και το δεύτερο με αμμωνία ή αμίνες. Σε κάθε περίπτωση θα πρέπει να επιλέγουμε τον τρόπο προετοιμασίας του νερού έτσι ώστε οι συγκεντρώσεις του CO 2 να είναι < 5 mg/kg.

10 3.3 Οξυγόνο Το O 2 μαζί με το CO 2 είναι η κυριότερη αίτια διαβρώσεων. Στην περίπτωση του O 2, με την αύξηση της θερμοκρασίας και τη μείωση της πίεσης έχουμε μείωση της διαλυτότητας του οξυγόνου στο νερό. Χαρακτηριστικό της διάβρωσης από Ο 2 είναι το τρύπημα. Η ηλεκτροχημική διάβρωση του οξυγόνου, αναπτύσσεται σε περιοχές ή θέσεις όπου έχουμε ανομοιογενές υλικό κάτι συνηθισμένο στους ατμοπαραγωγούς. Τέτοιες περιοχές ή θέσεις υπάρχουν πάντοτε στην επιφάνεια του μετάλλου, όπως είναι π.χ. οι ραφές των ηλεκτροσυγκολλήσεων, πλαστικά διαμορφωμένα-δηλαδή με ίδιες τάσειςτμήματα του υλικού, κυμαινόμενες περιεκτικότητες προσμίξεων, τραυματισμένες προστατευτικές στρώσεις, ακόμη και θέσεις μεγάλης μηχανικής καταπόνησης. Αυτές οι περιοχές ή θέσεις παρουσιάζουν άλλο δυναμικό από το βασικό μέταλλο και προσφέρονται για ανοδική διάλυση. Στο κύκλωμα του τροφοδοτικού νερού, το οξυγόνο περνάει με το συμπληρωματικό νερό που είναι κορεσμένο σε οξυγόνο αλλά και από εισροές αέρα στα μέρη του κυκλώματος που είναι υπό κενό. Η προσβολή από οξυγόνο είναι ένα πρόβλημα που βρίσκεται συχνά σε ατμολέβητες που βρίσκονται, για μεγάλο χρονικό διάστημα, εκτός λειτουργίας χωρίς προστασία ή όταν τα συστήματα (μέθοδοι) προστασίας των ατμολεβητών εν λειτουργία είναι ανεπαρκή έναντι προσβολής από οξυγόνο. Τα αποτελέσματα της προσβολής από οξυγόνο είναι τα οξείδια του σιδήρου της μορφής FeO, Fe 2 O 3, Fe 3 O 4 κατά την αντίδραση: 2Fe + H 2 O + O 2 Fe 2 O 3 + 2H και η παραγωγή υδρογόνου που μακροχρόνια μπορεί να προκαλέσει ψαθυρότητα του χάλυβα.. Όσον αφορά τον αιματίτη Fe 2 O 3 εμφανίζεται από χρώματος φαιού μέχρι λαμπερού ερυθρού. Ο ερυθρού χρώματος αιματίτης δεν παρέχει προστασία, υποδηλώνει δε παρουσία οξυγόνου σε υψηλά ποσοστά. Ο αιματίτης παρουσιάζεται συνήθως σε σωλήνες oικονομητήρα, από κοινού με προσβολή από οξυγόνο. Επίσης προσβάλλονται οι σωλήνες του υπερθερμαντήρα από οξυγόνο, λόγω σχηματισμού υγρασίας κατά την εκτός λειτουργίας κατάσταση του ατμολέβητα. Πρέπει να σημειώσουμε, ότι όταν ψύχεται ο υπερθερμαντήρας οι θερμικές συστολές προκαλούν αποκόλληση του προστατευτικού στρώματος μαγνητίτη Fe 3 Ο 4, οπότε η παρουσία νερού (υγρασίας) που περιέχει οξυγόνο μοριακής μορφής προξενεί τοπική προσβολή διεισδυτικού χαρακτήρα, μέχρις ότου διανοίξει οπή στο σωλήνα, οπότε θα έχουμε διαρροή. Ο μηχανισμός σχηματισμού ενός λάκκου ή οπής (ΡΙΤ) που οφείλεται στο οξυγόνο είναι εκείνος του "διαφορικού αερισμού". Δηλαδή, όταν στην επιφάνεια του μετάλλου

11 βρεθεί μια φυσαλίδα οξυγόνου θα αναπτυχθεί μια διαφορά δυναμικού μεταξύ της πλούσιας σε οξυγόνο περιοχής, που είναι κάτω από τη φυσαλίδα και των γειτονικών περιοχών που είναι σε επαφή με το νερό. Αποτέλεσμα της διαφοράς δυναμικού είναι η ροή ηλεκτρικού ρεύματος από την ανοδική περιοχή (φτωχή σε οξυγόνο) προς την καθοδική (πλούσια σε οξυγόνο) και σχηματισμός ενός δακτύλιου προϊόντων διάβρωσης στις ανοδικές περιοχές. Τα προϊόντα διάβρωσης αναπτύσσονται πάνω από τη φυσαλίδα και την απομονώνουν από το γύρω νερό. Καθώς η ηλεκτρολυτική αντίδραση προχωράει, το κέλυφος των προϊόντων διάβρωσης γύρω από τη φυσαλίδα μεγαλώνει σε πάχος και το οξυγόνο καταναλώνεται για την οξείδωση σε μεγαλύτερο βαθμό των προϊόντων αυτών, αφήνοντας στο χώρο της φυσαλίδας αδρανές άζωτο. Όταν το ποσό του οξυγόνου μέσα στη φυσαλίδα γίνει μικρότερο από εκείνο που είναι έξω, η πολικότητα του στοιχείου αντιστρέφεται και η περιοχή γύρω από τη φυσαλίδα γίνεται κάθοδος και κάτω από τη φυσαλίδα άνοδος, και η διάβρωση συνεχίζεται κάτω από το κέλυφος όσο αυτό παραμένει άθικτο. Η πορώδης μορφή του κελύφους επιτρέπει το πέρασμα των ιόντων προς τα έξω, ενώ κάτω από το κέλυφος συνεχίζει να υπάρχει έλλειψη οξυγόνου επειδή εκείνο που διαχέεται προς τα μέσα καταναλώνεται για την οξείδωση των προϊόντων διάβρωσης. Εκτός αυτού γνωρίζουμε, ότι η διατάραξη της συνέχειας του υλικού προκαλεί συσσώρευση τάσεων (καταστρεπτικές εγκοπές), που καταλήγουν σε ρωγμές κόπωσης λόγω οξείδωσης ή επίδρασης καυστικών ουσιών. Αίτια υψηλής παρουσίας οξυγόνου στο νερό είναι: α) Κακή λειτουργία απαεριωτή β) Ανεπαρκής τροφοδοσία χημικών προς δέσμευση ή απομάκρυνση του οξυγόνου γ) Εκτός ελέγχου εισροή αέρα στο κύκλωμα, π.χ. μέσω των στεγανοποιητικών μερών στροβίλου χαμηλής πίεσης, συμπυκνωτή, στιπτοθλιπτών αντλιών τροφοδοσίας, κ.λ.π. Μείωση της συγκεντρώσεως οξυγόνου στο τροφοδοτικό νερό σε < 20 mg/kg περιορίζει πάρα πολύ τις διαβρώσεις οξυγόνου. 3.4 Καυστική διάβρωση Ένα άλλο είδος προσβολής που υφίστανται οι αυλοί ατμοποίησης είναι η καυστική διάβρωση. Γενικά, η καυστική διάβρωση περιορίζεται σε περιοχές υψηλής θερμικής ροής, σε κεκλιμένους και οριζόντιους σωλήνες, σε τοπικές χοντρού στρώματος επικαθίσεις και σε περιοχές όπου έχουμε μεταφορά θερμότητας. Αυτή η διάβρωση, προϋποθέτει ένα τοπικό εμπλουτισμό στο τοίχωμα, ισχυρά αλκαλικών ουσιών, όπως ΝaΟΗ. Τέτοιες ισχυρά αλκαλικές ουσίες, μπορούν σε υψηλές

12 θερμοκρασίες να καταστρέψουν και το σίδηρο και την προστατευτική στρώση του μαγνητίτη κατά τις αντιδράσεις: Fe + 2NaOH Na 2 FeO 2 + H 2 Fe 3 O 4 + NaOH Na 2 FeO 2 + NaFeO 2 + H 2 O Η καυστική διάβρωση, παρουσιάζεται κυρίως στις ρωγμές της προστατευτικής στρώσης. Αναγνωρίζεται αρκετά εύκολα, επειδή στα σημεία όπου γίνεται, οι σωλήνες παρουσιάζουν κοιλώματα και τελικά, γίνεται ελάττωση του πάχους του κοιλώματος του σωλήνα που οδηγεί σε σπάσιμο. 3.5 Ψαθυροποίηση από υδρογόνο Η κυριότερη διάβρωση των αυλών ατμοποίησης είναι η ψαθυροποίηση από υδρογόνο. Η προσβολή του χάλυβα από υδρογόνο, είναι αποτέλεσμα της διάχυσης ατομικού υδρογόνου μέσα στα μέταλλα του ατμολέβητα. Φθορές, συνήθως συμβαίνουν σε περιοχές με υψηλή θερμική ροή, με χοντρό στρώμα επικαθήσεων, σε κεκλιμένους και οριζόντιους σωλήνες και σε περιοχές όπου έχουμε μεταφορά θερμότητας. Το υδρογόνο μπορεί να βρεθεί μέσα στο νερό του ατμολέβητα σαν προϊόν της αντιδράσης: 3Fe + 4Η 2 Ο Fe 3 Ο 4 + 8Η ή σαν προϊόν από την αντίδραση του Fe με ΝaΟΗ: Fe + 2ΝaΟΗ Νa 2 FeΟ 2 + 2Η αντίδραση που προκαλείται, όταν τα ποσοστά του ΝaΟΗ στο νερό, έχουν περάσει τα επιτρεπόμενα όρια, οπότε το ΝαΟΗ έχει καταστρέψει το προστατευτικό φιλμ του Fe 3 Ο 4 και αφήνει απροστάτευτο το σίδηρο. Το ατομικής μορφής υδρογόνο Η έχει την ικανότητα να διαχέεται (να διεισδύει) στη μάζα του χάλυβα, ερχόμενο δε σε επαφή με το καρβίδιο του σιδήρου Fe 3 C (σεμεντίτης) παράγεται μεθάνιο CΗ 4 κατά την αντίδραση: Fe 3 C + 4Η CΗ 4 + 3Fe

13 Η πίεση του μεθανίου, διαρρηγνύει τα όρια των κόκκων του πλέγματος του χάλυβα και δημιουργεί διακρυσταλλικές ρωγμές. Έτσι, ο χάλυβας γίνεται ψαθυρός και χωρίς να μειωθεί το πάχος του, παύει να αντέχει στις καταπονήσεις για τις οποίες έχει υπολογισθεί. Οι αυλοί υφίστανται ρωγμές και διάρρηξη από ψαθυρότητα. Σαν αιτίες για την ψαθυροποίηση από υδρογόνο (με την έννοια, ότι συμβάλλουν να δημιουργηθούν οι προϋποθέσεις γι' αυτήν) πρέπει να αναφερθούν κυρίως υψηλές τοπικές θερμικές φορτίσεις, πολύ μικρές ταχύτητες ροής, παρουσία αιωρούμενων στο νερό στερεών σωματιδίων, πολύ μικρές τιμές ρη και ανεπίτρεπτες περιεκτικότητες του νερού σε χλωρίδια και θειικά. Γενικά, η ψαθυροποίηση από υδρογόνο είναι δύσκολο να ανιχνευθεί με μη καταστρεπτικό τρόπο, μολονότι εξεζητημένες υπερηχητικές τεχνικές έχουν αναπτυχθεί με σκοπό να διασκοπίσουν τις ζημιές του μετάλλου από το υδρογόνο. Η διάρρηξη του μετάλλου από ψαθυρότητα σε συνθήκες με χαμηλό ρη, μπορεί να ξεχωριστεί από συνθήκες με υψηλό ρη με μία εξέταση της χημείας του νερού του ατμολέβητα και της χημείας της πιθανής πηγής της μόλυνσης. 3.6 Πυριτικά οξέα Το πυριτικό οξύ, το οποίο υπάρχει στο τροφοδοτικό νερό είναι πολύ επιβλαβές για τον ατμολέβητα γιατί μαζί με άλλα συστατικά σχηματίζει σύμπλοκα άλατα, τα οποία επικάθονται υπό μορφή λεβητόλιθου στις θερμαινόμενες επιφάνειες και εκτός από την μείωση του συντελεστή μεταδόσεως της θερμότητας k, προκαλούν αύξηση της θερμοκρασίας της εξωτερικής επιφάνειας των ελασμάτων και οδηγούν στην καταστροφή της (κάψιμο) ή ρήξη των αυλών. Αν η προετοιμασία του νερού είναι επιμελής, όπως συμβαίνει σήμερα, γενικά τέτοιος κίνδυνος δεν παρουσιάζεται. Παρουσιάζονται όμως επικαθίσεις στα πτερύγια των στροβίλων-και μάλιστα σε ορισμένη ζώνη θερμοκρασιών-οφειλόμενες στο πυρίτιο. Το πυρίτιο βρίσκεται στο τροφοδοτικό νερό υπό μορφή πυριτικού οξέος, το οποίο ελαφρά μόνο υφίσταται σχάση κατά την αντίδραση: H 4 SiO 4 H 3 SiO H + Η εμπειρία από την λειτουργία θερμοηλεκτρικών εργοστασίων απέδειξε, ότι για να μην έχουμε επικαθίσεις στο στρόβιλο, η στον ατμό περιεκτικότητα SiO 2 δεν πρέπει να

14 υπερβαίνει τα 20 μg/kg. Αυτό, όταν αυξάνεται η πίεση, μας οδηγεί σε πολύ μικρές αναλογίες SiΟ 2 στο νερό του λέβητα και μάλιστα έχουμε: P = atm SiO 2 = ,2 0,4 μg/kg Η έρευνα απέδειξε, ότι η αλκαλικότητα επηρεάζει την πτητικότητα του SiΟ 2 αλλά μόνο για τιμές pη > 11 οι οποίες αντιστοιχούν σε τιμή ρ > 1 νaι/lt. Επομένως μόνο για μικρές σχετικώς πιέσεις είναι δυνατόν να λαμβάνεται αυτό υπ' όψη και μάλιστα: P = μέχρι atm SiO 2 = ρ ρ μg/kg 3.7 Χαλκός και Σίδηρος Το τροφοδοτικό ό νερό περνάει από μια μεγάλη επιφάνεια μετάλλων (χαλύβδινα ή χάλκινα) ώσπου να καταλήξει στον ατμολέβητα. Αν στο κύκλωμα αυτό γίνεται διάβρωση, τα προϊόντα της διάβρωσης μεταφέρονται στον ατμοπαραγωγό όπου και συνήθως συγκεντρώνονται. Συνήθως, μεταλλικές αποθέσεις που βρίσκονται μέσα στον ατμοπαραγωγό αποτελούνται από σίδηρο, χαλκό και νικέλιο. Το τροφοδοτικό νερό περιέχει συχνά ενώσεις του χαλκού διαλυμένες, οι οποίες συναντούν στο οριακό στρώμα ευνοϊκές συνθήκες, για να μεταβληθούν σε αδιάλυτες ενώσεις και να αποτεθούν στα τοιχώματα των αυλών. Οι συνθήκες γίνονται ευνοϊκότερες με την μείωση της ταχύτητας ροής του νερού και την αύξηση της ατμοποιήσεως. Η μεταβολή των αλάτων σε αδιάλυτα δεχόμαστε, ότι γίνεται κατά την αντίδραση: Cu Cu 2 + 2OH - Cu(OH) 2 CuO + H 2 O Στο οριακό στρώμα όμως παρουσιάζεται και σχάση του υδρατμού κατά την οποία ελευθερώνεται υδρογόνο, το οποίο δρα αναγωγικά επί του οξειδίου του χαλκού κατά την αντίδραση: CuΟ + 2Η Cu + Η 2 Ο Η αναγωγή αυτή είναι δυνατόν να προχωρήσει μέχρις ότου αποτεθεί καθαρός χαλκός στα τοιχώματα. Αν δεν παρατηρηθούν, κατά την αλλαγή αυλών ζημιές προερχόμενες από

15 αυτό, είναι δυνατόν σε περιπτώσεις π.χ. συγκολλήσεων, ο χαλκός που αποτίθεται να αλλοιώσει το υλικό της ραφής και να έχουμε θραύση της. Όταν στις επιφάνειες ατμοποίησης συγκεντρωθούν οξείδια σιδήρου είναι δυνατόν να παρατηρηθεί ταχεία εξέλιξη της διάβρωσης με νερό ατμολέβητα ειδικής σύνθεσης. 3.8 Χημική και μηχανική διάβρωση Διάβρωση όπως είναι γνωστό είναι η καταστροφή των μετάλλων ύστερα από αλληλοεπίδραση τους με το περιβάλλον. Όταν ένα μέταλλο διαβρώνεται δίνει σαν προϊόν αντίδρασης ουσίες που κατά το πλείστον μπορούν να χαρακτηριστούν σαν ευδιάλυτες. Το σε σταθερότερη πλέον μορφή μέταλλο είναι δυνατόν είτε να διαχωριστεί από τη διάλυση οπότε αποτίθεται στις μεταλλικές επιφάνειες σαν οξείδιο, είτε να παραμείνει εν διαλύσει. Τα προϊόντα αυτά της διάβρωσης είναι δυνατόν να προκαλέσουν προβλήματα σε άλλα μέρη του κυκλώματος ή ακόμα και στον ίδιο τον ατμολέβητα. Η εναπόθεση των προϊόντων αυτών μπορεί να εμποδίζει τη ροή του νερού τροφοδοσίας, να προκαλέσει βουλώματα των βαλβίδων και ακόμα να προωθήσει την διάβρωση κάτω από την εναπόθεση. Στην περίπτωση της εναπόθεσης, και σαν απλό οδηγό του τύπου της απόθεσης, θα μπορούσαμε να αναφέρουμε ότι το κόκκινο ή το σκούρο καφέ χρώμα είναι ενδεικτικό παρουσίας του Fe 2 O 3 (αιματίτης), το μαύρο χρώμα του Fe 3 O 4 (μαγνητίτης), το λευκό μπορεί να προέρχεται από ΖηΟ ή Αl 2 Ο 3 και τέλος το πράσινο πιθανότατα να οφείλεται σε CuΟ. Το χρώμα βέβαια δεν είναι αναλυτική μέθοδος προσδιορισμού μιας απόθεσης και ακόμα ας μην ξεχνάμε τα μείγματα οξειδίων ή ακόμα τις άλλων μορφών εναποθέσεις που μπορούν να επικαλύψουν το πραγματικό χρώμα. Οι διαβρώσεις είναι χημικής ή μηχανικής φύσεως. Με τον διεθνή όρο Korrosion (χημική διάβρωση) νοούμε κάθε μεταβολή, που επέρχεται στην αρχική κατάσταση ενός μετάλλου (που πάντα ξεκινάει από την επιφάνεια του) και που προέρχεται από αίτια χημικής ή ηλεκτροχημικής φύσεως. Με τον διεθνή όρο Erosion (μηχανική διάβρωση) καλούμε κάθε φθορά ενός μετάλλου, που προέρχεται από την μηχανική δράση ενός αερίου, ενός υγρού ή ενός στερεού σώματος.

16 Υπάρχουν περιπτώσεις, που μία μηχανική διάβρωση μπορεί να βοηθήσει τη χημική διάβρωση, όπως π.χ. με τη μηχανική καταστροφή προστατευτικών στρώσεων και την κατ' αυτόν τον τρόπο έκθεση μιας μεταλλικής επιφάνειας στις χημικές διαβρώσεις. Α) Χημικές διαβρώσεις Το κοινό χαρακτηριστικό των χημικών διαβρώσεων είναι ότι φεύγει μέταλλο από μία μεταλλική επιφάνεια. Αυτό μπορεί να γίνει με δύο τρόπους: α) Το μέταλλο, με κάποια διαδικασία συνδέεται με αέρια, όπως ο αέρας, το οξυγόνο ή και ο υδρατμός. Μιλάμε τότε για "ξηρή" χημική διάβρωση. Κυρίως, η διάβρωση αυτή οφείλεται στο οξυγόνο του διαλυμένου στο νερό αέρα. β) Το μέταλλο με την παρουσία ενός ηλεκτρολύτου λόγω ηλεκτρικών δυναμικών φεύγει υπό μορφή ιόντων στον ηλεκτρολύτη. Μιλάμε τότε για "υγρή" χημική διάβρωση. Στη περίπτωση αυτή, το ηλεκτρικό ρεύμα παράγεται κυρίως, λόγω της ανομοιογένειας των μετάλλων που απαρτίζουν τον ατμοπαραγωγό. Το ρεύμα μεταδίδεται μέσω του νερού του ατμοπαραγωγού το οποίο χρησιμεύει ως ηλεκτρολύτης λόγω των αλάτων που περιέχονται σ'αυτό. Δύο σημεία του ανομοιογενούς μετάλλου αποτελούν τους δύο πόλους, οπότε με την επίδραση του ηλεκτρικού ρεύματος γίνεται διάσπαση των μορίων του νερού και το μεν οξυγόνο προσκολλάται στον ένα πόλο και τον φθείρει ενώ το υδρογόνο προσκολλάται στον άλλο πόλο. Η επίδραση του οξυγόνου δημιουργεί τοπικές διαβρώσεις, οι οποίες είναι λιγότερο επικίνδυνες λόγω, ότι μπορούμε να τις εντοπίσουμε. Η ανομοιογένεια των μετάλλων δεν είναι δυνατόν να προληφθεί όσο προσεκτικά και αν κατασκευαστεί το έλασμα. Εντονότατη, εμφανίζεται η ηλεκτρόλυση όταν δύο τελείως διαφορετικά μέταλλα εφάπτονται, όπως είναι ο σίδηρος και ο χαλκός ή ο ορείχαλκος. Γεγονός είναι, ότι και στις δύο περιπτώσεις το αποτέλεσμα στην πράξη είναι ότι δεν μπορούν τα μέταλλα να ανταποκριθούν στις προβλεφθείσες υποχρεώσεις τους από άποψη αντοχής και επέρχεται καταστροφή τους. Β) Μηχανικές διαβρώσεις Η μηχανική διάβρωση είναι απώλεια μετάλλου που προκαλείται από την επίδραση στερεών ή υγρών σωμάτων. Μολονότι φαίνεται απλή, η μέθοδος της μηχανικής διαβρώσεως είναι πολύπλοκη. Η απώλεια μετάλλου συχνά θεωρείται ότι συμβαίνει με φυσική παραμόρφωση της επιφάνειας. Ο μηχανισμός προσβολής ενισχύεται ιδιαίτερα από την υψηλή ταχύτητα της ροής του ρευστού. Απότομες αλλαγές στην διεύθυνση της ροής και η είσοδος σκληρών υλών στο ρευστό, συμβάλλουν επίσης στην απώλεια μετάλλου.

17 4. Συστήματα επεξεργασίας τροφοδοτικού νερού ατμοπαραγωγών Από όσα είπαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο βγαίνει ένα ουσιώδες συμπέρασμα ότι, για να επιτευχθεί η ασφαλής λειτουργία του ατμολέβητα θα πρέπει το νερό τροφοδοσίας του να επεξεργασθεί κατάλληλα, έτσι ώστε να εισέλθει και να διατηρηθεί μέσα σ' αυτόν εντός ορίων, όσον αφορά τα άλατα, αλλά και άλλα μεγέθη που επηρεάζουν τη λειτουργική συμπεριφορά του ατμολέβητα. Όπως γνωρίζουμε το νερό στη φυσική του κατάσταση, στις πιο πολλές περιπτώσεις, δεν είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί απ' ευθείας χωρίς επεξεργασία στους ατμολέβητες. Γι' αυτόν το λόγο χρησιμοποιούνται διάφορα συστήματα επεξεργασίας του νερού τροφοδοσίας, που θα αναφερθούμε αναλυτικότερα παρακάτω. Η επεξεργασία του νερού έχει σκοπό, όχι μόνο την αφαίρεση της σκληρότητας και την απαερίωση, αλλά και την μείωση των διαλυμένων στο νερό αλάτων και αλκαλικών ενώσεων. Γενικά, το τροφοδοτικό νερό, πρέπει να είναι πτωχό ή απαλλαγμένο αλάτων, οργανικών ουσιών, ελαίου, ελεύθερου ή περιεχόμενου στις ενώσεις CO 2, σιδήρου, χαλκού, οξυγόνου, Ca, Μg, βαρίου και στρονδίου. Για να φτιάξουμε τροφοδοτικά νερά, σύμφωνα πάντα με τις προδιαγραφές των κατασκευαστών, πρέπει να επεξεργασθούμε το διατιθέμενο φυσικό νερό, το οποίο χρησιμοποιείται για τη συμπλήρωση των απωλειών, καθώς επίσης και το εν κυκλοφορία τροφοδοτικό νερό, το οποίο προέρχεται από τη συμπύκνωση του ατμού. Η πρώτη επεξεργασία είναι ανάλογη προς τη σύσταση του πηγαίου, βρόχινου ή έστω και θαλάσσιου νερού και την περιεκτικότητά του σε διάφορα άλατα και σε διάφορες διάσπαρτες ύλες (φερτές ύλες), και προς την πυκνότητα και σκληρότητα του νερού, και γίνεται μέσω διαφόρων μηχανικών αλλά κυρίως χημικών μεθόδων. Η δεύτερη επεξεργασία περιλαμβάνει την εξαγωγή του εντός του τροφοδοτικού νερού περιεχομένου ατμοσφαιρικού αέρα, από οπουδήποτε και αν προέρχεται. Στην πράξη χρησιμοποιούνται τα παρακάτω συστήματα για την επεξεργασία του νερού τροφοδοσίας: 1. Φίλτρα άμμου 2. Αφαίρεση CO 2 3. Αφαίρεση Fe 4. Αφαίρεση Μn 5. Αποσκληρυντές 6. Απιονιστές 7. Απαλκαλιωτές 8. Απαεριωτές

18 Στη συνέχεια θα αναφερθούμε σε κάθε ένα αναλυτικότερα. Στο Σχήμα 4.1 παρουσιάζεται το διάγραμμα ροής μιας εγκατάστασης επεξεργασίας του νερού τροφοδοσίας νερού λεβήτων. Το διατιθέμενο φυσικό νερό πρέπει πρώτα να φιλτραριστεί για να συγκρατηθούν οι διάφορες διάσπαρτες ύλες, πλήν της περίπτωσης, που το διατιθέμενο νερό προέρχεται από σωστά λειτουργικά δίκτυα πόλης. Αυτό το επιτυγχάνουμε με διήθηση του νερού συνήθως σε φίλτρα άμμου. Στη συνέχεια το νερό πρέπει, ανάλογα με την περίπτωση, να αποσκληρυνθεί ή να αφαλατωθεί. Υπάρχουν γι αυτό πολλές μέθοδοι, που θα αναπτυχθούν παρακάτω. Τέλος το νερό θα απαεριωθείσε απαεριωτές, με τους οποίους θα ασχοληθούμε αναλυτικά παρακάτω. Page 42 Σχήμα 4.1 Διάγραμμα ροής εγκατάστασης επεξεργασίας νερού τροφοδοσίας νερού λεβήτων

19 4.1 Φίλτρα άμμου Τα φίλτρα άμμου είναι μηχανήματα για επεξεργασία επιφανειακών και υπόγειων νερών. Αφαιρούν σίδηρο, μαγγάνιο και αιωρούμενα στερεά. Κατά κανόνα ένα τέτοιο φίλτρο αποτελείται από ένα κατακόρυφο χαλύβδινο δοχείο, μ ένα στρώμα άμμου ύψους 2-3 m. Σαν φίλτρο, χρησιμοποιείται άμμος με μέγεθος κόκκων 0,5 έως 3 mm. Εκλέγεται πυριτική άμμος, συνήθως μονοκρυσταλλικής υφής. Ανάλογα με την πορεία, που ακολουθείται και βεβαίως με την αρχή της διήθησης, ορίζονται το πάχος του στρώματος και οι ταχύτητες διόδου του νερού. Για φίλτρα φυσικής ροής καλό είναι οι ταχύτητες να μην ξεπερνούν τα 3-5 m 3 /m 2 h, για φίλτρα πιέσης τα m 3 /m 2 h. Στην προκειμένη περίπτωση πρέπει να παρατηρηθεί, ότι σε φίλτρα πιέσης υπάρχει ανάγκη διατηρήσης περίπου σταθερής της αντιστάσης διόδου, μετά από ορισμένη αύξηση πρέπει να γίνει εντατική πλύση με νερό και αέρα. Στον παρακάτω πίνακα δίνονται μερικά χαρακτηριστικά μεγέθη για την άμμο και τα φίλτρα. Πίνακας 4.1: Χαρακτηριστικά μεγέθη για την άμμο και τα φίλτρα Ογκικό βάρος Kg/m Διάμετρος κόκκου, α' στρώμα mm 5-7 Διάμετρος κόκκου, β' στρώμα mm 1-2 Ταχύτητα νερού πλύσης m/h Ποσότητα νερού πλύσης m 3 /m 2 h Ποσότητα αέρα πλύσης m 3 /m 2 h Πίεση πλύσης bar 0,4-0,6 Αντίσταση φίλτρου mm H 2 O Κύριο μειονέκτημα της χρησιμοποίησης φίλτρων άμμου είναι η αύξηση των πυριτικών στο νερό. Για να αποφύγουμε αυτήν την αύξηση, σε ειδικές περιπτώσεις χρησιμοποιούμε αντί για άμμο το ειδικό υλικό Magno. Η σύνθεση του είναι περίπου: 71% CaCO % ΜgΟ + 3% ΜgCΟ 3 + 4% διάφορα Επιτυγχάνει άριστη διήθηση, η οποία συγκρατεί και τα πλέον μικρά σωματίδια. Σε πολλές περιπτώσεις γίνεται και μείωση των οργανικών. Βασικό, όμως προσόν της μεθόδου είναι, ότι δεν επιφέρει αύξηση των πυριτικών.

20 4.2 Αφαίρεση CO 2 Αυτό εμφανίζεται είτε υπό μορφή ελεύθερου CΟ 2 σ όλα τα φυσικά νερά, είτε συνδεδεμένο στα διττανθρακικά. Με καταιονισμό σε πύργους είναι δυνατόν να μειώσουμε το ελεύθερο CΟ 2 μέχρι τα 5-7 mg/lt. Αν επιθυμούμε να το μειώσουμε ακόμα περισσότερο, είναι αναγκαία η χημική επεξεργασία σύμφωνα με τις αντιδράσεις: CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca(HCO 3 ) 2 Μάρμαρο Διαβρωτικό CO 2 Ανθρακική σκληρότητα Χρησιμοποιείται όταν η ανθρακική σκληρότητα είναι <7 ο d CaCO 3 * MgO + 3CO 2 + 2H 2 O Ca(HCO 3 ) 2 + Mg(HCO 3 ) 2 Χρησιμοποιείται όταν η ανθρακική σκληρότητα είναι μέχρι 12 d. Επίσης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί, Cα(ΟΗ) 2, ΝaΟΗ ή σόδα Να 2 CΟ 3, από τα οποία τα δύο τελευταία, λόγω των υψηλών εξόδων, χρησιμοποιούνται μόνο σε ειδικές περιπτώσεις. 4.3 Αφαίρεση Fe Ο σίδηρος στο νερό, εμφανίζεται συνήθως ως Fe(ΗCΟ 3 ) 2 ή FeSΟ 4. Με εξαέρωση σχηματίζεται υδροξείδιο του σιδήρου, που συγκρατείται σε φίλτρα άμμου. Στο Σχήμα 4.2 παρουσιάζεται σχετικό σκαρίφημα εγκατάστασης αφαίρεσης σιδήρου. Page 44 Σχήμα 4.2 Διάγραμμα ροής εγκατάστασης αφαίρεσης σιδήρου Για να καθαρίζουμε το νερό των συμπυκνωμάτων από οξείδια μετάλλων π.χ. από Fe 3 O 4 που προέρχεται από τις σωληνώσεις, χρησιμοποιούμε ηλεκτρομαγνητικά φίλτρα. Τα ηλεκτρομαγνητικά φίλτρα μπορούν να απομακρύνουν φερομαγνητικές ακαθαρσίες ανεξάρτητα από το μέγεθος τους και τη θερμοκρασία, σχεδόν πλήρως, όχι μόνο από το νερό, το λάδι, αλλά και από άλλα ρευστά.

21 4.4 Αφαίρεση Mn Ανάλογα με τις ενώσεις του μαγγανίου εκλέγεται και η καταλληλότερη μέθοδος. Οι πιο συνηθισμένες σήμερα είναι κατ' αρχήν ο αερισμός και στη συνέχεια η απομάκρυνση του προκύπτοντος από την οξείδωση υδροξειδίου του μαγγανίου σε φίλτρα άμμου. Η κατανάλωση αέρα είναι 2 lt/gr Μn. Εφ' όσον το Μn βρίσκεται υπό μορφή διττανθρακικών: 2Mn(HCO 3 ) 2 + 2H 2 O + O 2 2Mn(OH) 2 + 4CO 2 Εφ όσον βρίσκεται σαν θειϊκό μαγγάνιο, αν μεν υπάρχει αρκετή ανθρακική σκληρότητα MnSO 4 + Ca(HCO 3 ) 2 + H 2 O + O Mn(OH) 2 + CaSO 4 + 2CO 2 Αν δεν υπάρχει ανθρακική σκληρότητα, πρέπει να προστεθεί ΝaΟΗ οπότε: MnSO 4 + 2NaOH Na 2 SO 4 + Mn(OH) 2 Άλλη μέθοδος χωρίς αερισμό είναι το φιλτράρισμα με φαιόλιθο, όπου με αναγωγή αυτού οξειδώνονται τα άλατα: ΜnΟ 2 + ΜnΟ = Μn 2 Ο 3 και με το οξυγόνο στο νερό αναγεννάται: Μn 2 O 3 + Ο = 2ΜnΟ 2 Τέλος αν υπάρχει περισσότερο μαγγάνιο, προτιμάται η χρησιμοποίηση ειδικής μάζας Magno. Αυτή αναγόμενη με την οξείδωση των αλάτων του μαγγανίου αναγεννάται με υπερμαγγανικό κάλιο. Η αναγκαία ποσότητα της μάζας είναι περίπου 100 kg/m 3 νερού και ώρα. Το υπολειπόμενο μαγγάνιο είναι 0,05 ~ 0,08 mg/lt. Αν η περιεχόμενη ποσότητα μαγγανίου είναι μικρή, αφαιρείται συγχρόνως με το σίδηρο. Γενικά, όμως η αφαίρεση του μαγγανίου γίνεται μετά την αφαίρεση του CΟ 2 και του σιδήρου. 4.5 Εναλλάκτες ιόντων και ρητίνες Για να προχωρήσουμε στα υπόλοιπα συστήματα επεξεργασίας του τροφοδοτικού νερού είναι αναγκαία μια γενική αναφορά στους Εναλλάκτες ιόντων, οι οποίοι είναι η βάση για να γίνουν η αποσκλήρυνση, ο απιονισμός κ.λ.π., έτσι ώστε να καταλάβουμε αυτά που θα περιγράψουμε στις επόμενες παραγράφους.

22 Οι Εναλάκτες ιόντων, περιέχουν αδιάλυτες στο νερό ουσίες υπό μορφή κόκκων. Αυτές έχουν την ικανότητα να εναλλάσουν ευκίνητα ιόντα τους, με εκείνα που υπάρχουν στο νερό. Τέτοια στο νερό ιόντα είναι: Κατιόντα : Ca ++, Μg ++, Νa + Ανιόντα : SO 4 - -, Cl -, ΗCΟ 3 -, ΝΟ 3 Η πρακτική χρησιμοποίηση των ουσιών αυτών γίνεται σε φίλτρα ή εναλλάκτες. Όταν ανταλλάξουν όλα τα διαθέσιμα ιόντα τους, είναι δυνατόν να αναγεννηθούν με κατάλληλο διάλυμα και αυτό μπορεί να επαναλαμβάνεται θεωρητικά επ' άπειρον. Αλλά και στην πράξη η διάρκεια ζωής των εναλλακτών είναι πολύ μεγάλη. Χαρακτηρίζουμε σαν χρόνο δράσεως τον χρόνο μεταξύ δύο αναγεννήσεων και σαν δυναμικότητα το ποσό των ανταλλαξίμων ιόντων εκφρασμένο σε γραμμάρια ισοδύναμης ποσότητας CaΟ. Αυτήν ονομάζουμε και αριθμό ανταλλαγής και γράφουμε, σαν Αν. Οι εναλλάκτες ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά από τον Δρα. ROBERT GANS, στο Βερολίνο, περίπου πριν 70 χρόνια. Και βεβαίως κατά τα πρώτα χρόνια της ζωής τους καταπολεμήθηκαν σφοδρότατα, εξ' αιτίας της επαναστάσης, που επέφεραν στην τεχνική της παρασκευής του νερού. Σήμερα έχουν πλήρως επιβληθεί. Οι πρώτοι εναλλάκτες ήταν ανόργανες ουσίες ευρισκόμενες στη φύση, όπως π.χ. ηφαιστειακή τέφρα κ.λ.π. Αργότερα τέτοιες ανόργανες ύλες κατασκευάσθηκαν και τεχνητά. Σήμερα, γενικά κατασκευάζονται μόνο οργανικοί εναλλάκτες παραγόμενοι από τις συνθετικές ρητίνες. Οι τελευταίοι έχουν βάση, είτε τη φαινόλη (φθηνότεροι), είτε τη στυρόλη (ακριβότεροι αλλά καλύτερης ποιότητας). Στην τεχνική της επεξεργασίας του νερού, χρησιμοποιούνται κυρίως ρητίνες με βάση τη στυρόλη. Οι συνθετικές ρητίνες έχουν μεγάλη ολική ικανότητα ιοντεναλλαγής, λειτουργούν με υψηλές παροχές και έχουν ικανοποιητικό επίπεδο αναγέννησης. Διακρίνουμε δύο βασικούς τύπους ρητινών: Κατιονικές ρητίνες και ανιονικές ρητίνες Το μόριο των κατιονικών ρητινών περιέχει όξινες σουλφονικές ή καρβοξυλικές ρίζες του τύπου R-ΗCΟ 2 ή R-ΗCΟ 3. Οι ρητίνες αυτές μπορούν να κρατήσουν κατιόντα και να δώσουν ιόντα Η + ή Νa +. Όταν οι ρητίνες φορτωθούν με ιόντα, κατά το πέρασμα του νερού πρέπει να αναγεννηθούν. Η αναγέννηση γίνεται με υδροχλωρικό οξύ ΗCl ή θειικό οξύ Η 2 SO 4. Συνήθως χρησιμοποιείται το ΗCl σε διάλυμα 30%. (π.χ. R 2 Ca + ΗCl 2RΉ + CaCl). Σε περίπτωση που οι κατιονικές ρητίνες είναι της μορφής R-Νa (αυτές που χρησιμοποιούνται για αποσκλήρυνση), άναγενονται με διάλυμα ΝaCl 12%. Οι κατιονικές ρητίνες διαιρούνται σε δύο κατηγορίες:

23 1. Ισχυρά όξινες ρητίνες που περιέχουν HCO 3 Αυτές κατακρατούν τα Ca, Μg, Na συνήθως όταν είναι ενωμένα με ισχυρά οξέα(θειϊκά, χλωριούχα, κ.λ.π.) και δίνουν H +. π.χ. Ca (RX) 2 + 2R-H R 2 Ca + 2H(RX) Όταν οι ρητίνες είναι σε μορφή R.-Νa (αποσκλήρυνση) τότε έχουμε π.χ. Ca-(RX) 2 + R-Na R 2 Ca + 2Na(RX) 2. Ασθενώς όξινες ρητίνες που περιέχουν HCO 2 Κατακρατούν τα Ca, Mg, Νa που είναι ενωμένα, συνήθως με δισσανθρακικά και δίνουν H +. π.χ. CaΗCΟ 3 + 2R-Η R 2 Ca + Η 2 Ο + CΟ 2 Το C0 2 μπορεί να φύγει στη συνέχεια με απαερίωση. Οι ανιονικές ρητίνες περιέχουν βασικές ρίζες. Μπορούν να συγκρατήσουν ανιόντα και να τα αντικαταστήσουν με ιόντα υδροξυλίου ΟΗ -. π.χ. (RΧ)Cl + RΟΗ RCl + (RΧ)ΟΗ. Αναγεννώνται συνήθως με διάλυμα ΝaΟΗ 30-50%. Οι ανιονικές ρητίνες διαιρούνται σε δύο κατηγορίες: 1. Ασθενείς βασικές ρητίνες - Συγκρατούν συνήθως τα SΟ - 4, Cl -, ΝO - 3. Βασίζονται όχι στην ιοντεναλλαγή αλλά στην προσρόφηση. π.χ. Η 2 SΟ 4 + R RΗ 2 SΟ 4 Η αναγέννηση επομένως με ΝaΟΗ είναι στην πραγματικότητα εξουδετέρωση. π.χ. RΗ 2 SΟ 4 + ΝαΟΗ R + Νa 2 SO 4 + Η 2 Ο. 2. Ισχυρές βασικές ρητίνες Εναλλάσσουν όλα τα ιόντα, είτε προέρχονται από ασθενή είτε από ισχυρά οξέα. π.χ. RΟΗ + ΗCl RCl + Η 2 Ο Υπάρχουν δύο τύποι ισχυρά βασικών ρητινών. Οι ρητίνες του ενός τύπου έχουν χαμηλή ικανότητα ανταλλαγής, ενώ του άλλου τύπου έχουν μεγάλη ικανότητα ανταλλαγής.

24 Με τον όρο "ικανότητα ιοντεναλλαγής" μιας ρητίνης εκφράζουμε την ποσότητα των κατιόντων ή ανιόντων που μπορεί η μονάδα όγκου της ρητίνης να κατακρατήσει με την εκάστοτε σύσταση του νερού που την περιβάλλει και πριν φθάσει στο σημείο κορεσμού της. Πολλοί παράγοντες μπορούν να επηρεάσουν την ικανότητα εναλλαγής μιας ρητίνης και μάλιστα πρώτα η ποσότητα και η συγκέντρωση του διαλύματος αναγέννησης. Έτσι, αν η ποσότητα του διαλύματος αναγέννησης είναι λίγο μεγαλύτερη από το ελάχιστο αναγκαίο επίπεδο που απαιτείται για τη μετατόπιση της ισορροπίας (κατάσταση κορεσμού), θα έχουμε μια ρητίνη κατά ένα μέρος αναγεννημένη, ενώ αν διαθέσουμε τη βέλτιστη ποσότητα του διαλύματος αναγέννησης θα έχουμε μια πλήρως αναγεννημένη ρητίνη. Η αύξηση της συγκέντρωσης ή της ποσότητας του μέσου αναγέννησης δεν συνοδεύεται από ανάλογη αύξηση της ικανότητας της ρητίνης. Οι κατασκευαστές των ρητινών δίνουν κάθε φορά το βέλτιστο επίπεδο αναγέννησης, ώστε να επιτυγχάνονται επαρκείς λειτουργικές και οικονομικές συνθήκες λειτουργίας των ρητινών. Άλλος σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την ικανότητα εναλλαγής είναι ο χρόνος επαφής μεταξύ των ρητινών και του μέσου αναγέννησης. Ο χρόνος επαφής καθορίζεται από το ύψος της κλίνης και την ταχύτητα ροής του διαλύματος αναγέννησης. Η μεγάλη ταχύτητα ροής του διαλύματος αναγέννησης δεν επηρεάζει την ποιότητα της αναγέννησης αλλά όταν χρησιμοποιείται ένα μέρος του διαλύματος χάνεται χωρίς να αξιοποιείται αναγεννώντας τη ρητίνη. Επίσης: Η θερμοκρασία του διαλύματος αναγέννησης επηρεάζει την ποιότητα της αναγέννησης κατά τρόπο που δεν μπορεί να καθορισθεί κάθε φορά. Η περίσσεια διαλύματος αναγέννησης δεν καταστρέφει τη ρητίνη. Απλώς χάνεται. Τέλος η ικανότητα εναλλαγής εξαρτάται από την ποιότητα του νερού που πρόκειται να επεξεργασθούμε. Όσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση των ιόντων που πρόκειται να εναλλαγούν, τόσο υψηλότερο θα πρέπει να είναι και το επίπεδο αναγέννησης. Θα πρέπει να τονίσουμε εδώ πως μια ρητίνη δεν είναι κατασκευασμένη να λύσει όλα τα προβλήματα που αφορούν την αφαίρεση των ιόντων από το νερό. Γι' αυτό πρέπει προσεκτικά να μελετούμε κάθε φορά τα όρια και τις συνθήκες λειτουργίας που μας παρέχει ο κατασκευαστής τους. Τονίζουμε ιδιαίτερα μερικές συνθήκες λειτουργίας και τα όρια χρήσης των ρητινών στις διάφορες εφαρμογές. Α. Η συγκέντρωση του νερού, που πρόκειται να επεξεργασθούμε, σε ολικά διαλυμένα στερεά μας καθορίζει και το ποσοστό αποτελεσματικότητας μιας ρητίνης.

25 Β. Οι ρητίνες είναι κατασκευασμένες για να εναλλάσσουν ιόντα και όχι για να χρησιμοποιούνται για την κατακράτηση αιωρούμενων ουσιών, κολλοειδών ή οργανικής ύλης. Γ. Ανεπιθύμητη κρίνεται και η παρουσία διαλυμένων αερίων στο νερό σε υψηλά επίπεδα, η οποία μπορεί να προκαλέσει ανωμαλίες στη λειτουργία των μονάδων και στην ικανότητα των ρητινών. Δ. Τα περισσότερα είδη ρητινών που βρίσκονται σε ευρεία εφαρμογή επηρεάζονται από την παρουσία ισχυρών οξειδωτικών όπως Cl 2 ή Ο 3. Η χρησιμοποίηση μεγάλων πιέσεων στη λειτουργία των μονάδων ιοντεναλλαγής μπορεί να προκαλέσει θραύση των κόκκων της ρητίνης. Η θραύση των κόκκων της ρητίνης δημιουργεί μεγαλύτερη ενεργή επιφάνεια εναλλαγής, δηλαδή αύξηση της ικανότητας εναλλαγής, χωρίς να μεταβάλλει τα χημικά χαρακτηριστικά της ρητίνης. Θα πρέπει να λάβουμε υπ' όψη μας πως στην περίπτωση αυτή έχουμε να αντιμετωπίσουμε λειτουργικά προβλήματα που αφορούν τη μεγάλη πτώση πίεσης μέσα στη κλίνη των ρητινών και στη συνέχεια την απώλεια των ρητινών κατά τις διάφορες φάσεις λειτουργίας των μονάδων ιοντεναλλαγής. Οι συνιστώμενες διάμετροι των κόκκων μιας ρητίνης είναι 0,6 mm έως 0,9mm. Ρητίνες με διάμετρο κόκκων μεταξύ 5 και 30 μm, γνωστές σαν "μικρορητίνες", λειτουργούν για ειδικές χρήσεις, όπως η επεξεργασία των συμπυκνωμάτων ή αποβλήτων πυρηνικών σταθμών. Η θερμοκρασία λειτουργίας των ρητινών επιδρά και στην υδραυλική και στην κινητική της ιοντεναλλαγής. Υψηλές θερμοκρασίες αυξάνουν την ταχύτητα αντιδράσεων ιοντεναλλαγής. Αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία για τις ασθενείς και τις ασθενείς όξινες ρητίνες. Αντίθετα στις χαμηλές θερμοκρασίες αυξάνεται η πτώση πίεσης μέσα στη κλίνη και η έκταση της κλίνης είναι μικρότερη κατά τη διάρκεια της φάσης της αντίστροφης ροής. Ο χρόνος ζωής των ρητινών εξαρτάται από κατασκευαστικούς και λειτουργικούς παράγοντες. Γι αυτό μόνο κατά μέσο όρο μπορούμε να προσδιορίσουμε το χρόνο ικανοποιητικής λειτουργίας τους. Έτσι μπορούμε να πούμε πως ο χρόνος ζωής των ανιονικών ρητινών περιορίζεται από 2 έως 5 χρόνια, ενώ ο χρόνος ζωής των κατιονικών ρητινών, σημαντικά μεγαλύτερος, κυμαίνεται από 8 έως 25 χρόνια. Ύστερα από αυτήν την εκτεταμένη αναφορά στις ρητίνες θα επιστρέψουμε στους εναλλάκτες και θα πούμε ότι χαρακτηρίζονται, ανάλογα με τη ρίζα του υλικού εναλλαγής, σε::

26 α) Ασθενείς όξινους εναλλάκτες κατιόντων, όταν έχουν ρίζα το καρβοξύλιο β) Ισχυρούς όξινους εναλλάκτες κατιόντων (αναγέννηση Νa ή Η) γ) Ασθενείς ανοδικούς εναλλάκτες βάσης δ) Ισχυρούς ανοδικούς εναλλάκτες βάσης Αυτοί οι εναλλάκτες καθιστούν δυνατή την αποσκλήρυνση και τη μερική ή ολική αφαλάτωση του νερού διατασσόμενοι κάθε φορά κατάλληλα σ' ένα ή περισσότερα φίλτρα. Μετά απ όλα αυτά που είπαμε για τους εναλλάκτες ιόντων η παρουσίαση των υπολοίπων συστημάτων επεξεργασίας του νερού τροφοδοσίας των ατμοπαραγωγών θα είναι απλούστερη και ευκολονόητη Αποσκληρυντές Εξ' ορισμού σκληρότητα ονομάζουμε την περιεκτικότητα του νερού σε ενώσεις ασβεστίου Ca και μαγνησίου Mg. Όταν αφαιρούμε το ασβέστιο και το μαγνήσιο από το νερό λέμε ότι κάνουμε αποσκλήρυνση. Αυτήν την διαδικασία την κάνουν οι αποσκληρυντές. Οι αποσκληρυντές αποτελούνται από δοχεία ρητίνης και από δοχεία άλατος. Τα δοχεία ρητίνης χρησιμοποιούνται για να γίνεται η ιοντεναλλαγή, η οποία αναφέρθηκε προηγούμενα, και τα δοχεία άλατος χρησιμοποιούνται για να γίνεται η αναγέννηση των ρητινών. Αυτό σημαίνει ότι τα δοχεία ρητίνης είναι εναλλάκτες ιόντων. Στη συνέχεια θα περιγράψουμε εναλλάκτες ιόντων οι οποίοι χρησιμοποιούνται για αποσκλήρυνση. Εναλλάκτες νατρίου Νa είναι: Είναι ισχυρώς όξινοι εναλλάκτες κατιόντων. Η ακολουθούμενη πορεία εναλλαγής Ca(HCO 3 ) 2 + Na 2 A CaA + 2NaHCO 3 Mg(HCO 3 ) 2 + Na 2 A MgA + 2NaHCO 3 CaSO 4 + Na 2 A CaA + Na 2 SO 4 MgSO 4 + Na 2 A MgA + Na 2 SO 4 MgCl + Na 2 A MgA + NaCl

27 Η αναγέννηση τους γίνεται με χλωριούχο νάτριο: CaA + 2NaCl Na 2 A + CaCl 2 MgA + NaCl Mg 2 A + MgCl 2 Το σκληρό νερό περιέχει διάφορα ιόντα Cα ++, Μg ++, Να +, SΟ 4 - -, Cl -, HCO 3 -, N0 3 - κ.λ.π. από τα οποία μόνο το Cα ++ και Μg ++ συγκρατεί ο εναλλάκτης νατρίου ανταλλάσσοντας τα με Νa +, κάτι το οποίο είναι και επιθυμητό, όλα τα άλλα διέρχονται. Page 52 Σχήμα 4.3 Διάγραμμα ροής σε εναλλάκτη νατρίου Νa Στις διάφορες φάσεις η λειτουργία του εναλλάκτη γίνεται ως εξής: α) Κανονική λειτουργία Το σκληρό νερό εισέρχεται από το πάνω τμήμα του φίλτρου, διατρέχει στρώμα κατάλληλου πάχους με ορισμένη για κάθε περίπτωση ταχύτητα και εξέρχεται από το κάτω τμήμα. Η λειτουργία πρέπει να διακοπεί, όταν η σκληρότητα, που απομένει στο μαλακό νερό φθάσει το πολύ τους 0,1 d. Εδώ πρέπει να σημειωθεί, ότι ο εναλλάκτης αντιδρά διαφορετικά με το CaΟ και το Μg0, δηλαδή μετά την πάροδο ορισμένου χρόνου, ενώ συγκρατεί το Ca ++ δεν συγκρατεί το Μg ++. Έτσι χωρίς να αυξηθεί αισθητά η σκληρότητα, εμφανίζεται Μg ++ στο μαλακό νερό. β) Έκπλυση Σκοπός της είναι η απομάκρυνση τυχόν ακαθαρσιών, που συγκρατήθηκαν κατά τη λειτουργία, και η αναμόχλευση του υλικού. Επαρκεί χρόνος γι' αυτό 10 min και

28 ταχύτητα του νερού 5 έως 10 m/h. Το νερό προσάγεται από κάτω και εξέρχεται από πάνω και στη συνέχεια πηγαίνει προς την αποχέτευση. γ) Αναγέννηση Γίνεται από τα πάνω, με διάλυμα ΝaCl, περιεκτικότητας συνήθως 8-10%. Η ταχύτητα ρυθμίζεται κατάλληλα για κάθε περίπτωση και ο χρόνος κυμαίνεται περί τα 45 min. Συνήθως η πίεση προσαγωγής είναι μικρή, δηλ. γύρω στα 0,5 bar, όμως είναι δυνατόν να γίνει μεγαλύτερη, μέχρι 6 bar. Αυτό κυρίως εφαρμόζεται όταν η αναγέννηση γίνεται με το προς αποσκλήρυνση νερό, το οποίο στην προκειμένη περίπτωση διέρχεται από πιεστικό διαλυτήριο του άλατος. δ) Πλύση Γίνεται από πάνω προς τα κάτω με σκληρό νερό μέχρις ότου πιστοποιηθεί, ότι το εξερχόμενο νερό είναι κατ' επιθυμία αποσκληρυμένο. Για τον έλεγχο της σκληρότητας χρησιμοποιείται ΕDΤΑ (ΤΙΤRΙΡLΕΧ) με προχοϊδα ή σταγονόμετρο ή με πρόσδοση 1-2 σταγόνων σαπωνοδιαλύματoς σε 40 cm 3 νερού και παραγωγή μονίμου αφρού. ε) Υπολογισμός των φίλτρων και εναλλακτών Τα δεδομένα, που έχουμε για τον υπολογισμό ενός φίλτρου είναι όσον αφορά μεν στο νερό η ρέουσα ποσότητά του Q σε m 3 /h, ο χρόνος L σε h επί του οποίου πρέπει συνεχώς να παράγεται αυτή η ποσότητα αποσκληρυμένου νερού, που χαρακτηρίζεται σαν χρόνος δράσεως και η συνολική σκληρότητα του ΣΣ σε o d. Όσον αφορά δε στον εναλλάκτη ο αριθμός ανταλλαγής Αν σε gcaο/lt και ο χρόνος t z σε h, που πρέπει το νερό να είναι σε επαφή με τον εναλλάκτη ώστε να ολοκληρωθεί η ανταλλαγή ιόντων. Κάθε φορά μας ζητείται να υπολογίσουμε την αναγκαία ποσότητα του εναλλάκτη A σε lt και τις διαστάσεις του στρώματος του εναλλάκτη στο φίλτρο για να μπορέσουμε να το διαμορφώσουμε. Για να προσδιορίσουμε την ποσότητα του εναλλάκτη A (σε lt) σκεπτόμαστε ότι η ανταλλαγή ιόντων από την πλευρά του νερού ισούται με την ανταλλαγή των ιόντων από την πλευρά του εναλλάκτη. Επομένως: Q (m 3 /h. L (h). ΣΣ (mgcao/lt) = A (lt). Aν (gcao/lt) ή 10Q (m 3 /h). L (h). ΣΣ ( o d) = A (lt). Αν (gcao/lt) δηλαδή 10Q. L. ΣΣ = Α. Αν

29 Στο Σχήμα 4.5 παρουσιάζεται ένα νομογράφημα για ένα γρήγορο υπολογισμό των διαστάσεων του εναλλάκτη, του οίκου Babcock-Wilcox. Οι διαστάσεις του στρώματος του εναλλάκτη στο φίλτρο καθορίζονται από το χρόνο επαφής του νερού με τον εναλλάκτη. Αν t Ζ σε h ο αναγκαίος χρόνος τότε η επιτρεπτή ταχύτητα ροής δια του στρώματος του εναλλάκτη είναι: W(m/h) = 3 [ Q(m /h) L(h) ] 2 [ F(m ) t (h)] z Page 55 Σχήμα 4.5 Νομογράφημα για γρήγορο υπολογισμό των διαστάσεων του εναλλάκτη, του οίκου Babcock-Wilcox.

30 όπου F η διατομή του φίλτρου. Για τις κατασκευές αντί του χρόνου t z μας δίνεται η ταχύτητα W, οπότε η διατομή του φίλτρου (του στρώματος του εναλλάκτη) και το ύψος αυτού προκύπτουν από τις σχέσεις: F = Q/W και Η = Α/F Πρέπει τώρα να σημειωθεί ότι οι εναλλάκτες νατρίου εργάζονται σε μικρές θερμοκρασίες. Αύξηση πέραν των 40 C δεν συνίσταται διότι ήδη στους C αποβάλλονται ανθρακικά, οπότε η δημιουργούμενη λάσπη είναι καταστρεπτική για τον εναλλάκτη. Σε περιπτώσεις επεξεργασίας συμπυκνωμάτων η θερμοκρασία επιτρέπεται να φθάσει μέχρι τους 90 C. Η αναγκαία για την αναγέννηση ποσότητα ΝaCl είναι περίπου % της θεωρητικά προσδιοριζόμενης, δηλαδή κυμαίνεται συνήθως μεταξύ g/m 3 o d. Εναλλάκτες νατρίου H 2 Είναι και αυτοί ισχυρώς όξινοι εναλλάκτες κατιόντων. Η βασική τους διαφορά από τους εναλλάκτες νατρίου έγκειται στο ότι εναλλάσσουν όλα τα κατιόντα του νερού με ιόντα υδρογόνου. Έτσι απαλλάσσεται το νερό και από τα ενοχλητικά άλατα του νατρίου, εμπλουτίζεται όμως με τα αντίστοιχα οξέα. Οι ανταλλαγές, που λαμβάνουν χώρα είναι οι εξής: Ca(HCO 3 ) 2 + H 2 A CaA + H 2 O + 2CO 2 Mg(HCO 3 ) 2 + H 2 A MgA + H 2 O + 2CO 2 2NaHCO 3 + H 2 A Na 2 A + H 2 O + 2CO 2 CaSO 4 + H 2 A CaA + H 2 SO 4 MgSO 4 + H 2 A MgA + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + H 2 A Na 2 A + H 2 SO 4 NaCl + H 2 A Na 2 A + 2HCl Η αναγέννηση γίνεται με θειικό ή υδροχλωρικό οξύ: Na 2 A + CaA + MgA + H 2 SO 4 H 2 A + Na 2 SO 4 + CaSO 4 + MgSO 4 Na 2 A + CaA + MgA + HCl H 2 A + 2NaCl + CaCl 2 + MgCl 2 Τα παραγόμενα άλατα απομακρύνονται με την πλύση. Και τα δύο οξέα προσάγονται υπό μορφή διαλυμάτων και μάλιστα το μεν Η 2 SΟ 4 σε διάλυση 0,6-0,8%, το δε ΗCl σε 5-8%. Πυκνότερα διαλύματα και ιδίως όταν πρόκειται για Η 2 SΟ 4 είναι επικίνδυνα για τον

31 εναλλάκτη. Η λειτουργία των φίλτρων γίνεται καθ' όμοιο τρόπο με τα φίλτρα των εναλλακτών νατρίου, μόνο ο χρόνος αναγεννήσης είναι λίγο μεγαλύτερος, φθάνει δηλαδή μέχρι μία ώρα. Ο υπολογισμός των εγκαταστάσεων είναι δυνατόν να γίνει με την ίδια με τους εναλλάκτες νατρίου σχέση, υπό την προϋπόθεση, ότι αντί της συνολικής σκληρότητας (ανθρακικής και μη ανθρακικής) θα εισέλθει το σύνολο κατιόντων ΣΚ. Έτσι η σχέση γίνεται: 10Q. L. ΣΚ = A. Αν Το σύνολο των κατιόντων προκύπτει από - το μέτρο m του σκληρού νερού (mι/100 = mval/lt) mval/lt. 2,8 = o d - το αρνητικό μέτρο m του απαλκαλιωμενού νερού mval/lt. 2,8 = o d (ml/100 = mval/lt) οπότε σύνολο κατιόντων ΣΚ = mval/lt. 2,8 =... o d Η απαιτούμενη θεωρητικά ποσότητα οξέων για την αναγέννηση (ανοιγμένη σε περιεκτικότητα 100%) είναι: Η 2 SΟ 4 = 10. (98/28). ΣΚ = 35. ΣΚ σε g/m 3 ΗCl = 10. (36,5/28). ΣΚ = 13. ΣΚ σε g/m 3 Στην πράξη απαιτούνται τα 250% αυτής της ποσότητας. Η παρακολούθηση των φίλτρων εναλλακτών υδρογόνου γίνεται με τη παρακολούθηση της περιεκτικότητας σε οξέα με την αρνητική τιμή του m. Παράλληλη σύνδεση εναλλακτών Νa και Η 2 Για την περιοχή των μικρών και μέσων πιέσεων (ακόμη και μέχρι τα 80 bar για ορισμένες περιπτώσεις) δεν υπάρχει ανάγκη πλήρους αφαλάτωσης. Μια μείωση των ανθρακικών και μερική αφαλάτωση επαρκούν. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με ένα εναλλάκτη Νa και ένα Η 2, που συνδέονται παράλληλα, ώστε από τον καθένα να περνάει μόνο ένα τμήμα του νερού. Το εξερχόμενο νερό από το φίλτρο Η 2 Α περιέχει Η 2 SΟ 4, ΗCl και CΟ 2, ενώ από το Νa 2 Α περιέχει ΝαΗCΟ 3, Να 2 SΟ 4 και ΝαCΙ. Τα δύο νερά αναμιγνύονται και προκαλούνται οι εξής αντιδράσεις: 2NaHCO 3 + H 2 SO 4 Νa 2 SΟ 4 + 2Η 2 CO 3