6.8. Uzdatnianie wody zasilającej urządzenia technologiczne
6.8.1. Wiadomości ogólne o twardości wody
Większość urządzeń technologicznych takich jak wymienniki, kotły przemysłowe wysokociśnieniowe i wysokotemperaturowe itp., zasila się wodą czystą i pozbawioną twardości. Niezwykle szkodliwym zjawiskiem towarzyszącym eksploatacji, zwłaszcza urządzeń kotłowych, jest tworzenie się kamienia kotłowego, który osadza się na powierzchniach kotła, stykających się z wodą. Kamień kotłowy znacznie zmniejsza przewodność cieplną ścianek urządzenia i powoduje straty cieplne. Ponadto jest on przyczyną miejscowych przegrzań i przepalania blachy kotłowej, powodujących uszkodzenie kotła.
Kamień kotłowy tworzy się z zanieczyszczeń zawartych w wodzie. Mogą to być zawiesiny substancji organicznych i nieorganicznych w wodzie nie filtrowanej lub rozpuszczone w niej substancje tworzące roztwory koloidalne i rzeczywiste.
Zanieczyszczenia substancjami rozpuszczalnymi określa się jako twardość wody; może ona być przemijająca lub stała. Twardość przemijającą tworzą przede wszystkim kwaśne węglany wapniowe i magnezowe.
Twardość stałą tworzą siarczany, chlorki i krzemiany wapniowe oraz magnezowe.
Jednostką twardości wody wg PN-55/C-32000 jest taka wartość, jaką nadaje 1 miligramorównoważnik jonu wapnia (Ca2+) lub magnezu (Mg2+) jednemu litrowi wody. Jednostkę taką nazywa się 1 miliwalem na litr (1 mval/l). Niekiedy można spotkać się z innymi jednostkami twardości wody, np. stopień niemiecki (1°n) odpowiada zawartości 10 mg CaO, lub równoważnikowi 10 mg CaO innej substancji w 1 litrze wody; stopień francuski (1°fr), odpowiada zawartości 10 mg CaCO3 lub równowagi nitrowi 10 mg CaCO3 innej substancji w 1 l wody; stopień angielski (1°a) wyraża zawartość około 14,3 mg CaCO3 lub równoważnika 14,3 mg CaCO3 innej substancji w 1 1 wody (czyli 1 g CaCO3 w 70 l wody).
W czasie ogrzewania wody następuje rozkład kwaśnych węglanów wapniowych i magnezowych na węglany obojętne, które są słabo rozpuszczalne i wytrącają się w postaci mułu. Muł ten osiadając w niższych częściach urządzenia technologicznego tworzy częśoiowo warstwę kamienia.
6.8.2. Metody zmiękczania wody zasilającej
Wodę najczęściej zmiękcza się metodą wymiany jonów. Pozwala ona w praktyce osiągnąć szczątkową twardość wody około 0,1°n.
Metoda wymiany jonów polega na wykorzystaniu pewnych substancji (zazwyczaj żywic syntetycznych) mających właściwość wymiany jonów na jony zawarte w wodzie i powodujące jej twardość. Substancje te nazywa się wymieniaczami jonów lub jonitami. Jeżeli jonit ma zdolność wymiany jonów dodatnich (wodór i metale, np. H2++, Ca++), to nazywa się go kationitem; we wzorach oznacza się go symbolem K . Jeżeli zaś jonit wiąże jony ujemne, tj. niemetale i grupę OH, np. SO4−−, (OH) 2−−, to nazywa się anionitem; we wzorach oznacza się go symbolem A.
Przebieg reakcji zachodzącej między solami powodującymi twardość i jonitami ze związanym jonem przedstawiają niżej podane reakcje:
Na2++ K + Ca(HCO3)2 = Ca++ K + 2NaHCO3 (6-29)
Na2++ K + Mg(HCO3)2 = Mg++ K + 2NaHCO3 (6-30)
Na2++ K + CaSO4 = Ca++ K + Na2SO4 (6-31)
Do zalet metody jonitowej zmiękczania wody należy możność regenerowania wyczerpanych złóż jonitowych oraz samoczynna regulacja procesu. Regeneracja jonitu polega na wprowadzeniu jonu sodowego zamiast jonu odebranego wodzie. Regenerację uzyskuje się przepuszczając przez warstwę jonitu roztwór soli kuchennej (NaCl). Przebieg regeneracji przedstawia reakcja:
Ca++ K + 2NaCl = Na2++ K CaCl2 (6-32)
Mg++ K + 2NaCl = Na2++ K MgCl2 (6-33)
Kationit regenerowany solą kuchenną wiąże jon sodowy; dla związania jonu wodorowego kationit regeneruje się kwasem solnym (HCl). Przebieg regeneracji kationitu kwasem solnym przedstawia reakcja:
Ca++ K + 2HCl = H2++ + K CaCl2 (6-34)
Kationit regenerowany solą kuchenną nazywa się kationitem sodowym, zaś regenerowany kwasem solnym nazywa się kationitem wodorowym.
W praktyce stosuje się dwa sposoby zmiękczania wody. Pierwszy polega na zastosowaniu dwóch równolegle pracujących złóż kationitowych: jednego z kationitem sodowym i drugiego z kationitem wodorowym. Przebieg reakcji jest następujący:
Na2++ K + Ca(HCO3)2 = Ca++ K + 2NaHCO3 (6-35)
H2++ K + CaSO4 = Ca++ K + H2SO4 (6-36)
Drugi sposób polega na przepuszczeniu wody najpierw przez kationit wodorowy, a następnie przez anionit regenerowany ługiem sodowym (NaOH). Przebieg reakcji na przykładzie jest następuiący:
CaSO4 + H2++ K = Ca++ K + H2SO4 (6-37)
H2SO4 + (OH) 2−−A = SO4−− A + 2H2O (6-38)
Regeneracja anionitu ługiem sodowym przebiega według reakcji:
SO4−− A + 2NaOH = (OH) 2−−A + 2H2O (6-39)
Schemat technologiczny typowej stacji zmiękczania wody przedstawiono na rys. 6-33. Zmiękczanie wody następuje w wymiennikach kationowych (zbiornikach cylindrycznych) wypełnianych kationitem, pracujących równolegle w cyklu sodowym (regeneracja kationitu NaCl) i w cyklu wodorowym (regeneracja kationitu HCl). Wydzielający się podczas reakcji wymiany jonów dwutlenek węgla CO, usuwa się z wody dekarbonizowanej w desorberze CO2. Desorberem CO2 w tym wypadku jest stalowy zbiornik cylindryczny wypełniony pierścieniami Raschiga.