Manuale
WATER TREATMENT
SOMMARIO
PREMESSA........................................................................................................1
Non esiste l’acqua perfetta .............................................................................................1
Cominciamo dalle impurità............................................................................................2
L’acqua è un forte solvente ............................................................................................3
LE INCROSTAZIONI ..........................................................................................6
Che cosa sono?.................................................................................................................6
Che cosa è la durezza? ....................................................................................................6
Che cosa è l’alcalinità?....................................................................................................6
È possibile controllare la durezza e l’alcalinità?..........................................................6
Ci sono altri fattori che influenzano le incrostazioni? .................................................7
Quali inconvenienti provocano le incrostazioni? .........................................................7
Come si interviene per eliminare le incrostazioni? ......................................................7
È possibile prevenire le incrostazioni? ..........................................................................7
Come funzionano i prodotti antincrostanti? ................................................................7
LA CORROSIONE..............................................................................................8
Che cos’è? ........................................................................................................................8
Tutti i metalli sono soggetti alla corrosione come il ferro? .........................................8
Quali sono i tipi di corrosione? ......................................................................................8
Quali sono le caratteristiche dell’acqua che influenzano la corrosione? ...................9
Come si misura la corrosione? .....................................................................................10
Quali sono i metodi utilizzati per prevenire la corrosione? ......................................10
Che cosa sono gli inibitori di corrosione? ...................................................................10
Che cosa sono gli inibitori anodici? .............................................................................10
Che cosa sono gli inibitori catodici? ............................................................................ 10
È sufficiente utilizzare gli inibitori chimici per prevenire la corrosione? ............... 10
CIRCUITI CHIUSI .............................................................................................10
Che cosa sono i circuiti chiusi? .................................................................................... 10
Perché si chiamano circuiti chiusi? ............................................................................. 10
Ci sono altri sistemi di raffreddamento a circuito chiuso? ....................................... 11
Esistono anche sistemi di riscaldamento a circuito chiuso?...................................... 11
Quali sono le differenze tra circuiti chiusi di raffreddamento e di riscaldamento?11
Quali sono i potenziali problemi nei circuiti chiusi?.................................................. 11
Come si trattano i circuiti chiusi?................................................................................ 11
Come si controlla il trattamento? ................................................................................ 12
LE CALDAIE ED IL TRATTAMENTO DELL’ACQUA NEI
GENERATORI DI VAPORE ......................................................................12
Produzione di vapore, come avviene? ......................................................................... 12
Come si trasferisce il calore?........................................................................................ 13
Come sono fatte le caldaie? .......................................................................................... 14
Come si classificano le caldaie? ................................................................................... 14
Quali sono le caratteristiche principali delle caldaie a tubi di fumo? ...................... 14
Quali sono gli accessori principali delle caldaie e tubi di fumo? .............................. 15
Come è fatto l’impianto di combustione? ................................................................... 16
Quali sono i problemi del ciclo acqua - vapore normalmente riscontrati nei
generatori dl vapore?.................................................................................................... 17
Pretrattamento .............................................................................................................. 18
Quale è il sistema di pretrattamento più diffuso?...................................................... 18
Come funzionano i demineralizzatori e gli impianti ad osmosi inversa?................. 19
Che cos’è la degasazione?............................................................................................. 20
Quali sono i parametri operativi dl un degasatore? ..................................................20
È sufficiente la degasazione termofisica per eliminare l’ossigeno? ..........................20
Quale deossigenante viene utilizzato? .........................................................................20
Come si completa il trattamento chimico interno? ....................................................20
Che cosa sono gli spurghi? ...........................................................................................21
Quali sono i problemi nella linea vapore condensa?..................................................21
Come si risolve il problema della corrosione acida delle condense? ........................22
Come si usano e valutano i risultati?...........................................................................22
Cos’è il trascinamento? ................................................................................................22
I CIRCUITI DI RAFFREDDAMENTO................................................................22
Cosa sono? .....................................................................................................................22
Cos’è lo scambiatore di calore? ...................................................................................23
Incrostazioni nei circuiti di raffreddamento...............................................................24
Corrosioni nei circuiti di raffreddamento...................................................................25
LA TORRE DI RAFFREDDAMENTO...............................................................27
Che cos’è? ......................................................................................................................27
Acqua di ricircolo..........................................................................................................29
Controlli .........................................................................................................................30
1
Volume
ZEP Italia
ED. LUGLIO ’00
Trattamento acqua
L’acqua viene utilizzata per uso potabile, agricolo, sanitario e industriale in grande quantità.
T
utti Voi, giornalmente, nell’ambito della Vs. attività di vendita incontrate clienti
potenziali che hanno problemi connessi all’uso dell’acqua. L’acqua, sia essa usata per
raffreddare, per riscaldare o per altri innumerevoli processi industriali, deve quasi
sempre subire trattamenti fisici e/o chimici che servono ad eliminare o limitare una serie
di problemi che possono causare gravi danni economici alla comunità e all’industria.
Questi trattamenti sono necessari perché non esiste l’acqua perfetta.
Premessa
Non esiste l’acqua perfetta
L’acqua segue il suo ciclo naturale: Pioggia Æ Acqua Superficiale (o di falda) Æ Vapore Æ
Pioggia.
La pioggia ed il vapore sono praticamente prive di impurità, ma le acque superficiali, laghi, fiumi
e l’acqua di falda (pozzi) sono ricche di sali, gas, sostanze organiche che le rendono impure.
In effetti, l’acqua piovana nel suo processo, attraverso gli strati del terreno e tra le rocce, si
arricchisce di sali. Le composizioni chimiche delle rocce che l’acqua attraversa ed il tempo di
contatto, determinano la qualità e la quantità dei sali disciolti nell’acqua.
L’acqua di fiume o dei laghi, non filtra attraverso le rocce, quindi è meno ricca di sali, ma più
ricca di sostanze organiche, ed è facilmente comprensibile come l’acqua di fiume possa essere
ricca di solidi sospesi (sabbia, fango, limo) rispetto all’acqua di lago, dove le particelle in
sospensione possono tranquillamente sedimentare lasciando l’acqua limpida.
È altrettanto facile da capire perché l’acqua di falda conservi abbastanza costanti nel tempo le
sue caratteristiche, influenzate solo parzialmente dai cambiamenti stagionali, mentre l’acqua di
fiume possa cambiare le sue caratteristiche repentinamente in funzione delle piogge che
trascinano fango nei torrenti.
Nuvole
Lago
Pioggia
Vapore
Fiume
Mare
FIG.01
Falda
Ciclo dell’acqua
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Nella tabella seguente riassumiamo le caratteristiche dell’acqua dolce in funzione di alcuni
parametri generici che le differenziano:
L’ACQUA DISPONIBILE IN NATURA
COME CAMBIANO LE CARATTERISTICHE
ACQUA
DISCIOLTI
SALI
GAS
DISCIOLTI
FALDA
++
+
-
+/-
++
FIUME
+
-
++
++
--
LAGO
+
-
+
++
-
++
+
-
-
++
-
+
-
-
++
ACQUEDOTTO
PIOVANA
SOLIDI IN
PRESENZA DI
CARATTERISTICHE
SOSPENSIONE MICROORGANISMI
COSTANTI
TAB.01
È quindi evidente come sia necessario effettuare un’accurata analisi del tipo di acqua a
disposizione e dell’utilizzo che se ne vuole fare.
Per fare questa analisi, bisogna avere un minimo di conoscenza delle proprietà fisiche e chimiche
dell’acqua e bisogna, inoltre, conoscere gli impianti che la utilizzano.
Cominciamo dalle impurità
Quando raccogliamo in una bottiglia o in un bicchiere un campione di acqua, dobbiamo seguire
il seguente approccio analitico:
1. Esame organolettico
•
Colore, è necessario verificare se:
o L’acqua è limpida
o L’acqua è opalescente/torbida
o L’acqua è colorata; di che colore
o Sono presenti particelle nell’acqua
pH
Acido
Neutro
Alcalino
14
0
1
3
5
7
9
11
13
• Odore, se:
è inodore o meno.
FIG.02
2. Sostanze insolubili
Sono costituite da tutte quelle particelle che a loro volta possono essere: sedimentabili,
cioè precipitano al fondo velocemente in sospensione
3. Sali solubili
Li vedremo in dettaglio più avanti.
4. Gas solubili
Li vedremo in dettaglio più avanti.
5. pH
È una misura rapida che si può effettuare con una cartina al tornasole, o con uno
strumento (pH metro) che indica l’acidità o l’alcalinità della soluzione.
Numericamente il pH è il logaritmo reciproco della concentrazione dello ione idrogeno (H+),
ma non bisogna farsi spaventare da definizioni complicate, a noi interessa sapere che valori bassi
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di pH indicano un valore fortemente acido, man mano che ci avviciniamo al valore 7, l’acqua
assume un valore neutro, i valori maggiori di 7 verso il 14 indicano un’acqua fortemente alcalina.
L’acqua disponibile in natura, sia essa piovana, sia essa di superficie o di falda ha un valore
prossimo al neutro 6,5 < pH <7,5 (con le dovute eccezioni).
Torniamo alle impurezze 3 - 4: Solidi - Gas disciolti.
L’acqua è un forte solvente
L’acqua è un eccellente solvente, in grado di sciogliere in sé molte sostanze siano esse solide,
liquide o gassose.
Le sostanze solide disciolte nell’acqua rappresentano la salinità e contribuiscono a formare le
caratteristiche chimiche ed il comportamento dell’acqua.
I sali disciolti nell’acqua si dividono in ioni positivi o cationi e ioni negativi o anioni.
Ognuno di Voi ha confidenza con il sale da cucina: cloruro di sodio [ NaCl].
Quando ne prendiamo un cucchiaio e lo mettiamo in acqua (H2O) il cloruro di sodio si scioglie:
H2O
NaCl Æ Na + + Cl In Na + (ione sodio) e Cl - (ione cloruro) (Vedi FIG.03).
Man mano che aggiungiamo altro sale nell’acqua, aumenterà la salinità dell’acqua stessa, ed
aumenterà anche la conducibilità, in quanto gli ioni (siano essi positivi o negativi) conducono
corrente elettrica (elettroliti), quindi c’è proporzionalità tra salinità e conducibilità.
La conducibilità si misura con il conduttimetro, in microsiemens/cm, la salinità si esprime come
ppm (parti per milioni = grammi/m3 = mg/litro). (Vedi FIG.04).
Un’acqua piovana, essendo priva di sali avrà una conducibilità = 0 µ/cm e una salinità = 0 ppm.
Un’acqua di superficie avrà:
•
Conducibilità ≅ 50 ÷ 500 µs/cm
• Salinità ≅ 150 ÷ 700 ppm
Non mancano casi di acqua di falda particolarmente priva di sali (in prossimità della montagna),
acque oligominerali e casi opposti in cui la salinità è altissima: acque salmastre.
Solubilizzazione di un sale in acqua
Cloruro di sodio NaCl →Na+ + CL -
Correlazione tra Salinità (espressa come ppm CaCO3)
e
Conducibilità (espressa come microsiemens / cm )
Salinità
(ppm CaCO3)
2000
1800
1600
1400
1200
Cl Na +
Cl -
800
Na +
600
Na +
Cl -
Na +
NaCl
NaCl NaCl
NaCl NaCl NaCl
1000
Cl -
400
Cl -
200
Cl Na +
0
200
600
1000
1400
1800
2200
2600
3000
Conducibilità (µs / cm)
FIG.03
FIG.04
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Come avevamo già accennato, con l’esempio del sale da cucina (cloruro di calcio), la salinità
(misurata attraverso la conducibilità) è la somma di ioni positivi (cationi) e negativi (anioni).
Vediamo in una tabella quali sono i cationi e anioni fondamentali che si trovano normalmente
nell’acqua
Cationi e anioni normalmente presenti
nell’acqua
•
H+
ione idrogeno
forma acidi con anioni
•
Na+
ione sodio
forma sali con anioni
•
Ca++
ione calcio
è la durezza, con i
carbonati e bicarbonati
Mg++
ione magnesio
Al+++
Fe++
Fe+++
ione alluminio
OH-
ossidrile
forma acqua con lo ione
idrogeno, e idrossidi con
i metalli
•
Cl-
ione cloruro
forma sali con i cationi
•
HCO3CO3--
formano il calcare
•
•
•
•
•
sono metalli, formano
ione ferroso
idrossidi con OH- e
ione ferrico
sali con gli anioni
•
•
•
SO4-NO3PO4---
ione bicarbonato con la durezza(Ca e Mg )
ione carbonato )
formano il calcare
ione solfato
ione nitrato
formano sali con i cationi
ione fosfato
FIG.05
I cationi e gli anioni formano acidi, basi e sali. I sali possono essere solubili (si sciolgono in
acqua) o possono essere insolubili (non si sciolgono in acqua).
Per ogni sale esiste quindi una concentrazione oltre la quale non è più solubile, tale
concentrazione si definisce solubilità.
La solubilità inoltre dipende dalla temperatura, nel senso che alcuni sali si sciolgono meglio a
freddo o viceversa meglio a caldo.
Il bicarbonato di calcio, a freddo è abbastanza solubile, mentre a caldo (>30-40°C) tende a
diventare insolubile.
Come avevamo anticipato nell’acqua che in natura è a diretto contatto con l’aria, si trovano
anche i gas disciolti, i più importanti sono:
•
Anidride Carbonica CO2
• Ossigeno
O2
Queste due molecole hanno un’elevata importanza nella chimica dell’acqua in quanto
influenzano direttamente i processi di incrostazione e di corrosione.
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Riassumiamo di seguito nella tabella seguente i parametri più importanti
PARAMETRO
SISTEMA DI MISURA
Conducibilità
µs/cm
Conduttivimetro
pH
pHmetro / o cartine al
tornasole
Durezza
Gradi Francesi
oppure Ca CO3 -1°F=10
ppm Ca CO3 con Kit
Colorimetrico
Alcalinità
ppm CaCo3
con Kit Colorimetrico
Ferro
ppm Fe
con Kit Colorimetrico
Silice
ppm SiO2 con Kit
Colorimetrico
Ossigeno
ppm O2
CO2
ppm CO2
Sostanze
Organiche
ppm
Microrganismi
colonie/ml
SIGNIFICATO
Ci dice quanti sono i sali disciolti (vedi Tabella
Salinità/Conducibilità) e quindi la totalità di cationi e
anioni. Più è alta la conducibilità, maggiore è la
concentrazione di sali, quindi maggiore è la
probabilità di aver superato il limite di solubilità dei
sali poco solubili.
L’acqua in natura è neutra, valori bassi indicano
acque acide (corrosive), valori alti indicano acque
alcaline (incrostanti).
Indica la concentrazione di Calcio e Magnesio,
responsabili, insieme ai bicarbonati della formazione
di incrostazione. Si può eliminare il calcio ed il
magnesio con gli addolcitori, ed il fenomeno
dell’incrostazione si può controllare con l’uso di
prodotti antincrostanti.
Indica la concentrazione di bicarbonati (HCO3—),
Carbonati (CO3— —) e idrati (OH—) che è
responsabile, insieme alla durezza, della formazione
delle incrostazioni. Si può eliminare usando
demineralizzatori o impianti ad osmosi, o utilizzando
prodotti chimici.
La presenza di ferro è indice di corrosioni o può
provenire dall’acqua di pozzo in quei casi nei quali
l’acqua è ferruginosa. Si controlla con l’uso di
inibitori di corrosione.
È presente nelle acque di falda, può causare depositi
se si superano i valori di solubilità.
È presente nell’acqua, è causa di corrosione nel
sistema di raffreddamento e soprattutto in caldaia.
La sua azione corrosiva aumenta all’aumentare della
temperatura. Nelle caldaie deve essere eliminata o
con degasatori o con opportuni deossigenanti.
È presente nell’acqua e dove si trova in equilibrio con
i bicarbonati. È causa di problemi di corrosione nella
linea della condensa e nelle caldaie di produzione
vapore.
Sono presenti specialmente nelle acque superficiali
(fiume e lago), possono causare schiuma in caldaia.
Possono essere eliminati tramite filtrazione.
Sono presenti e tendono a svilupparsi nelle
condizioni ambientali favorevoli: luce, temperatura
(20-40°C), presenza di nutrienti. Causano limo,
alghe, mucillagini e tendono a sporcare i sistemi di
raffreddamento (aperti e chiusi). Si controllano
utilizzando opportuni biocidi.
TAB.02
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Le incrostazioni
Che cosa sono?
Le incrostazioni sono depositi che si formano sulle tubazioni, negli scambiatori di calore, nei
pacchi di riempimento delle torre evaporative, ed ovunque ci sia la presenza di acqua dura.
Che cosa è la durezza?
La durezza è costituita dai sali di calcio e magnesio presenti nell’acqua.
L’acqua, in funzione della concentrazione di durezza si divide in:
•
acqua dolce
<10°F (100 ppm CaCO3)
•
acqua media
tra 11 e 20°F (110-200 ppm CaCO3)
•
acqua dura
tra 21 e 35°F (210-300 ppm CaCO3)
•
acqua durissima
tra 35 e 50°F (350-500 ppm CaCO3)
La presenza di durezza (Ca e Mg) associata all’alcalinità provoca le incrostazioni.
A u m e n to d e l c o n s u m o d i e n e r g ia
d o v u t o a lle in c r o s t a z io n i
% 50
40
30
20
10
0
1
FIG.06
2
3
4
5
6
7
8
9
S p e s s o r e d e p o s ito (m m )
FIG.07
Che cosa è l’alcalinità?
L’alcalinità insieme alla durezza è causa delle incrostazioni sia nei sistemi di raffreddamento, sia
nelle caldaie.
È possibile controllare la durezza e l’alcalinità?
Si, la durezza si può controllare mediante l’uso degli impianti addolcitori con resine a scambio
ionico in grado di sostituire il calcio ed il magnesio con il sodio (che non forma depositi).
L’alcalinità si può controllare riducendola con opportuni prodotti, e, soprattutto riducendo la
concentrazione attraverso gli spurghi, sia nelle torri sia nelle caldaie.Sono disponibili tabelle che
definiscono i limiti di controllo per durezza e per l’alcalinità al fine di prevenire le incrostazioni.
Il rispetto di tali limiti, associato all’uso di efficaci prodotti antincrostanti, elimina o riduce il
fenomeno delle incrostazioni.
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Ci sono altri fattori che influenzano le incrostazioni?
Si, la temperatura: all’aumentare della temperatura diminuisce la solubilità dei sali di calcio che
precipitano.
Le incrostazioni sono anche influenzate da:
•
la presenza di materiale in sospensione
•
la bassa velocità di flusso dell’acqua che favorisce la sedimentazione dei depositi.
Quali inconvenienti provocano le incrostazioni?
In FIG.07 si evidenzia come all’aumentare delle incrostazioni, aumentino le perdite di energia
dovute al fatto che il calcare impedisce lo scambio termico disperdendo calore ed energia.
Tale problema economico, nelle caldaie assume anche un preoccupante problema di sicurezza,
nei generatori di vapore si raggiungono alte temperature ed alte pressioni; se lo scambio termico,
tra la fiamma (ed i fumi) e l’acqua, viene impedito dalla presenza di depositi, si ha un
surriscaldamento dei tubi, con possibilità di esplosione.
Come si interviene per eliminare le incrostazioni?
Per eliminare le incrostazioni, una volta formate, si può intervenire con efficaci lavaggi acidi.
Si raccomanda l’uso di prodotti di qualità, addizionati con opportuni inibitori di corrosione e di
indicatori di viraggio.
Si raccomanda inoltre di effettuare il lavaggio a temperatura non superiore a 50°C, e di effettuare
una buona neutralizzazione con prodotti alcalini.
È possibile prevenire le incrostazioni?
Certo! Si può intervenire in modi diversi in funzione dell’impianto preso in considerazione:
•
Acqua sanitaria: Utilizzando opportuni antincrostanti, approvati per acqua potabile,
addizionati con sistema proporzionale.
•
Acqua nei circuiti chiusi
(Riscaldamento e condizionamento): Si consiglia di
adoperare acqua addolcita o, se non è disponibile, acqua grezza addizionata con
opportuni prodotti inibitori
•
Acqua di raffreddamento: Si consiglia di usare acqua grezza, addolcita con prodotti
antincrostanti, e di controllare opportunamente gli spurghi
•
Acqua di caldaia: È necessario addolcire o demineralizzare l’acqua di alimento, in ogni
caso addizionare prodotti disperdenti e controllare gli spurghi
Come funzionano i prodotti antincrostanti?
I prodotti chimici antincrostanti funzionano modificando la struttura del carbonato di calcio in
forma poco aderente e soprattutto irregolare, tale da non far crescere i cristalli che formano il
deposito.
FIG.08
FIG.09
Cristalli di Carbonato
di Calcio
Cristalli di
Carbonato di Calcio
modificati
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La corrosione
Che cos’è?
La corrosione è un processo elettrochimico nel quale il metallo (es. Ferro) viene trasformato nel
suo ossido (es. ossido di ferro = ruggine).
Affinché la corrosione possa avvenire è necessario che, come in una pila ci sia un anodo (quella
parte del sistema che si corrode), ci sia un catodo (quella parte del sistema responsabile
dell’ossidazione, che si riduce) e un elettrolita (acqua).
II metallo si ossida, ovvero si scioglie (anodo) e si sviluppa una corrente elettrica (elettroni), che
attraverso il metallo va verso il catodo dove avviene la reazione di riduzione. Il risultato di questo
processo è il consumo di metallo e la formazione di ossido.
R e a z io n e d i rid u z io n e
:
R e a z io n e d i o ssid a z io n e :
O
2
1 /2
O 2 + H 2O + 2 e
2+
Fe
Fe + 2 e
O H
O
2
2 OH
-
O H
o s s id o d i fe rro
e
-
c a to d o
Fe
2+
Fe
+ 2 e
-
anodo
e
-
c a to d o
FIG.10
Tutti i metalli sono soggetti alla corrosione come il ferro?
Esiste una scala di resistenza alla corrosione, materiali come il rame, l’alluminio o gli acciai
inossidabili sono generalmente meno soggetti alla corrosione, anche se in condizioni particolari
possono subire corrosioni molto veloci.
Esempio:
L’alluminio si corrode facilmente a pH acido o alcalino.
L’acciaio inox è molto sensibile alla presenza di cloruri.
Il rame in un circuito tende a formare coppie metalliche (pile) che provocano corrosione
Quali sono i tipi di corrosione?
Esistono moltissimi tipi di corrosione, ma i più diffusi sono tre:
•
Corrosione Generalizzata
Quando la corrosione avviene su tutta la superficie. In questi casi, il ferro si consuma
uniformemente, l’ossido che si forma tende a colorare di giallo-bruno l’acqua e si forma
idrossido di ferro (ruggine) che può provocare depositi nel sistema.
Una tipica corrosione generalizzata è quella acida (es. corrosione nella linea condense).
•
FIG.11
Corrosione generalizzata
FIG.12
Corrosione localizzata
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•
Corrosione Localizzata (pitting o vaiolatura)
Quando la corrosione è concentrata in una piccola area del metallo. È la corrosione più
pericolosa perché porta alla foratura del tubo in un tempo breve. (es. corrosione da
ossigeno) FIG.12
•
Corrosione Galvanica (pila)
Quando due metalli diversi sono in contatto. Il metallo meno nobile si corrode
rapidamente (es. rame - ferro).
Quali sono le caratteristiche dell’acqua che influenzano la corrosione?
I fattori più importanti sono:
•
L’ossigeno e gli altri gas disciolti nell’acqua
•
La conducibilità (salinità) e i solidi sospesi
•
L’alcalinità e l’acidità
•
La velocità dell’acqua
•
La temperatura
•
La presenza di batteri
1. Che influenza ha l’ossigeno sulla corrosione? La presenza di ossigeno è
indispensabile affinché la reazione di ossido-riduzione (corrosione) proceda, quindi
eliminare l’ossigeno significa eliminare la causa principale della corrosione.
2. Che influenza hanno sulla corrosione la conducibilità (salinità) e i solidi in
sospensione? Più elevata è la conducibilità dell’acqua, quindi la concentrazione di sali
disciolti, più elevato è il processo di migrazione degli elettroni e degli ioni, quindi
maggiore è la velocità di corrosione. Tra i sali disciolti più pericolosi ricordiamo i
cloruri e i solfati. La presenza di solidi in sospensione (sabbia, depositi di calcare o ferro)
ha un effetto di erosione sul metallo che accelera la corrosione del sistema; inoltre, i
solidi in sospensione possono sedimentare ed aderire sul metallo provocando pericolose
corrosioni sotto deposito.
3. Che influenza hanno sulla corrosione l’alcalinità e l’acidità? Acque acide o neutre
(pH ≤ 7) attaccano il metallo e rimuovono il film di ossido che protegge il metallo
stesso; acque alcaline (pH > 8,5) favoriscono la formazione di un film protettivo. Fanno
eccezioni i metalli anfoteri (alluminio) che a pH molto alti tendono a corrodersi.
4. Che influenza ha la velocità dell’acqua sulla corrosione? I valori di velocità
dell’acqua molto alti (maggiori di 2 metri al secondo) fanno aumentare la corrosione, in
quanto aumentano il trasporto di ossigeno sulla superficie del metallo e aumentano la
rimozione del film di ossido protettivo. Valori alti di velocità aumentano inoltre
l’erosione. Per contro, valori di velocità dell’acqua molto bassi (minori di 0,5 metri al
secondo) causano la sedimentazione, la formazione di depositi e, di conseguenza, la
corrosione sotto il deposito. La velocità ottimale è di 1-2 metri al secondo.
5. Che influenza ha la temperatura sulla corrosione? L’aumento della temperatura fa
aumentare la velocità di corrosione.
Es.: nei generatori di vapore dove si arriva ad alte temperature, il pericolo di corrosione
localizzata (vaiolatura per ossigeno) è altissima.
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6. Che influenza ha la presenza di batteri sulla corrosione? La presenza di batteri,
quindi la formazione di limo è causa di corrosione sotto deposito. Sono presenti inoltre
batteri anaerobici (che vivono in assenza di ossigeno) che attaccano il ferro provocando
corrosione.
Come si misura la corrosione?
La corrosione si misura in termini di velocità di corrosione, nel senso che ciò che importa nella
pratica industriale non è legato al fatto che i tubi o i macchinari si possano corrodere, ma in
quanto tempo si corrodono. In altre parole, non importa a
Valori di corrosione < 5
nessuno se un tubo si corrode e si può bucare o consumare in 100
MPY (<0,125 mm/anno)
anni. È invece importante che la corrosione sia sotto controllo
affinché la vita del macchinario possa dipendere da altri variabili sono considerati
che non siano la corrosione.Il parametro di misura internazionale accettabili.
Valori di corrosione >5
è: MPY (millesimi di pollici per anno) [0,025 mm/anno]
MPY sono considerati
pericolosi.
Quali sono i metodi utilizzati per prevenire la corrosione?
Innanzitutto, è necessario utilizzare materiali idonei, quindi metalli che resistono alla corrosione,
è sempre importante, se possibile, lavorare in condizioni di pH ≤ 8,5 e, soprattutto utilizzare un
efficace trattamento chimico basato su inibitori di corrosione.
Che cosa sono gli inibitori di corrosione?
Sono sostanza chimiche che riducono o bloccano la reazione di ossidazione, responsabile della
corrosione, agendo sul catodo, sull’anodo o su entrambi.
Che cosa sono gli inibitori anodici?
Sono molecole che formano un film protettivo sulla zona del metallo che tende ad ossidarsi
(anodo).
Che cosa sono gli inibitori catodici?
Sono molecole che formano un film protettivo sulla zona del metallo dove avviene la riduzione.
È sufficiente utilizzare gli inibitori chimici per prevenire la corrosione?
Un programma di trattamento efficace si basa sull’utilizzo di prodotti validi e, soprattutto,
controllati da tecnici competenti che attraverso l’analisi dei parametri chimici dell’acqua possono
verificare l’efficacia del trattamento e apportare le eventuali correzioni per assicurare i risultati
promessi.
Circuiti chiusi
Che cosa sono i circuiti chiusi?
I circuiti chiusi sono sistemi dove l’acqua ricircolando cede o assorbe calore attraverso impianti
di scambio termico. Possono servire per raffreddare (chillers) o per riscaldare (impianti di
riscaldamento).
Perché si chiamano circuiti chiusi?
Sono tali in quanto sono caratterizzati da un reintegro (rabbocco dell’acqua) nullo o molto
limitato. Un classico esempio di circuito chiuso, con reintegro assente, è quello del
raffreddamento del motore di un automobile:
L’acqua per raffreddare il motore si riscalda, per poi raffreddarsi nel radiatore.
In un sistema simile non c’è evaporazione quindi il reintegro è dovuto soltanto a possibili perdite
per trafilamento delle guarnizioni, premistoppa, ecc.
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Ci sono altri sistemi di raffreddamento a circuito chiuso?
Un altro sistema chiuso molto diffuso è quello utilizzato per la refrigerazione dell’acqua per
condizionamento o per termostatazione di impianti.
Il principio di funzionamento di qualsiasi sistema frigorifero (compreso quello che tutti abbiamo
nelle nostre cucine) si basa sul fatto che alcune sostanze (freon, ammoniaca) evaporano a bassa
temperatura, e nel processo di evaporazione sottraggono calore all’ambiente creando freddo.
Dopo lo stadio di evaporazione (cella frigorifera) è necessario ricomprimere e condensare il
fluido, affinché possa evaporare ancora e così via.
Nei processi di compressione e condensazione si sviluppa calore che deve essere smaltito
attraverso un fluido di raffreddamento (l’acqua del circuito chiuso).
Esistono anche sistemi di riscaldamento a circuito chiuso?
Tutti, nelle nostre case riscaldiamo l’ambiente mediante circuiti ad acqua calda.
Possono essere piccoli circuiti nel caso di impianti di riscaldamento autonomi, impianti medi nei
condomini, o impianti molto grandi nel caso del teleriscaldamento.
Quali sono le differenze tra circuiti chiusi di raffreddamento e di riscaldamento?
Le diverse temperature di esercizio (5 ÷ 25°C per sistemi di raffreddamento; 40 fino a 90°C nei
sistemi di riscaldamento) rendono leggermente diverse le problematiche, nel senso che nei
circuiti chiusi ad alta temperatura i problemi di corrosione e di incrostazione (se si usa acqua
dura) sono più critici.
Entrambi i sistemi però hanno reintegri nulli o comunque scarsi; quindi l’approccio del
trattamento chimico è analogo.
Quali sono i potenziali problemi nei circuiti chiusi?
•
incrostazioni nei sistemi ad acqua calda (T>40°C) se si usa acqua dura
•
corrosioni
•
sporcamento microbiologico (limo) nei sistemi a temperatura bassa (20 ÷ 40°C) dove si
può sviluppare la vita batterica
Come si trattano i circuiti chiusi?
Innanzitutto è necessario pulire preventivamente il circuito, eliminando depositi, ruggine,
fanghiglia di ogni tipo.
Per fare ciò è necessario prima flussare bene con acqua, quindi addizionare un prodotto
disperdente in grado di rimuovere eventuali depositi assicurando, al tempo stesso, un pH
corretto (8,5 ÷ 9) ed una buona protezione della metallurgia. Dopo avere ricircolato per un
periodo sufficiente (15 ÷ 45 giorni) con il prodotto disperdente, si deve svuotare il sistema e
riempirlo con acqua addolcita o acqua demineralizzata addizionata con un efficace inibitore di
corrosione.
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Come si controlla il trattamento?
È necessario disporre di un sistema di dosaggio proporzionale (contatore lanciaimpulsi con
pompa proporzionale) e di un’analisi di controllo periodico (ogni 2 - 3 mesi) durante il quale
verificare i parametri, indicati nella seguente tabella:
PARAMETRO ACQUA REINTEGRO
Durezza
ACQUA RICIRCOLO
<15°F(si raccomanda acqua
addolcita o demineralizzata)
pH
Ferro
Condizionante
chimico
<15°F
8,5 < pH < 11.5
< 0,5 ppm
Nel dosaggio accomandato
dal fornitore.
< 0,3 ppm
Nei sistemi più critici è
possibile installare dei
provini di corrosione per
poter misurare la velocità
di corrosione nel sistema.
TAB.03
Le caldaie ed il trattamento dell’acqua nei generatori di vapore
Produzione di vapore, come avviene?
Se somministriamo calore all’acqua, questa prima si riscalda, poi si trasforma in vapore. La
temperatura alla quale avviene tale trasformazione si chiama temperatura di ebollizione, questa
cambia con la pressione, a pressione ambiente la temperatura di ebollizione è di 100°C, se
aumentiamo la pressione aumenterà la temperature di ebollizione ed aumenterà anche l’energia
che il vapore contiene (contenuto termico o entalpia). La somministrazione del calore all’acqua
avviene nelle caldaie, dove si utilizza l’energia che si libera bruciando un combustibile (gas
metano, nafta) e che si trasferisce attraverso una superficie di contatto (l’acciaio della lamiera)
dalla fiamma all’acqua stessa.
ENTALPIA DEL VALORE SATURO SECCO
PRESSIONE ASSOLUTA
[Kg/cm3 (atm)]
0,1
1
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
24
28
32
36
40
44
48
60
80
100
120
200
TEMPERATURA DI
EBOLLIZIONE
[°C]
CONTENUTO DI CALORIE
[Kcal/Kg]
46,4
99,1
119,6
142,9
158,1
169,6
179
187,1
194,1
204
206,2
211,4
220,8
229
236,4
243,1
249,2
254,9
260,2
274,3
293,6
309,5
323,1
364,2
DEL LIQUIDO
DEL VAPORE
45,4
99,1
119,9
143,7
159,4
171,4
181,3
189,8
197,3
204
210,1
215,8
226
235
243,1
350,1
257,4
263,9
269,8
286,1
308,8
328,7
347,3
435,6
615,9
639
646,9
654,9
659,3
662,3
664,4
665,9
667
667,8
668,3
668,7
669
668,8
668,3
667,6
666,6
665,5
664,1
659,5
650,6
540,5
629,7
572,8
TAB.04
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Come si trasferisce il calore?
Il calore si trasferisce principalmente per conduzione: se abbiamo due fluidi a diversa
temperatura, ci sarà un passaggio di calore dal fluido caldo a quello freddo.
Il calore che passerà sarà proporzionale alla differenza di temperatura, al coefficiente di
conducibilità termica ed alla superficie di scambio, sarà inversamente proporzionale allo
spessore.
Risulta quindi evidente come sia necessario avere spessori piccoli e materiali che conducono
bene il calore e, soprattutto, evitare la formazione di depositi che possano ridurre lo scambio
termico.
COEFFICIENTE DI CONDUCIBILITA’ K
DI DIFFERENTI MATERIALI ALLA TEMPERATURA AMBIENTE
SOSTANZA
CONDUCIBILITA’
Kcal/mh °C
ACQUA
0,54
ALLUMINIO
178
FULIGGINE
0,06
BASALTO
1,1 ÷ 2,4
CARTONE
0,12 ÷ 0,25
CEMENTO
0,8 ÷ 1,10
FERRO
40 ÷ 50
GESSO
0,4 ÷ 0,6
GHIACCIO
1,2 ÷ 1,9
GRANITO
2,7 ÷ 3,5
LINOLEUM
0,16
CALCARE (CaCO3)
1,8 ÷ 3
MATTONI FORATI
0,3 ÷ 0,7
PIETRA ARENARIA
1,1 ÷ 1,5
PIOMBO
30
SABBIA ASCIUTTA
0,28
VETRO
0,4 ÷ 0,8
CONDUCIBILITA’ TERMICA
T 1
T 2
Q= K*A
Q
K
A
T1
T2
Calore
Coefficiente di conducibilità termica
Superficie di scambio
Temperatura fluido caldo
Temperatura fluido freddo
FIG.13
Dalla tabella si nota
come il calcare
conduce circa 25
volte meno del ferro
e la fuliggine quasi
1000 volte meno.
TAB.05
13
( T1 - T2 )
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Come sono fatte le caldaie?
L’insieme di tutte quelle parti necessarie a produrre calore, trasferirlo all’acqua e consentirne la
vaporizzazione alla pressione desiderata si chiama caldaia o generatore di vapore.
Le caldaie si caratterizzano attraverso:
•
La potenza [Kg/h]: chilogrammi di vapore prodotto in un’ora alla pressione di
esercizio.
•
La pressione di bollo [atm]: la massima pressione alla quale la caldaia può lavorare.
•
La pressione di esercizio [atm]: la pressione alla quale la caldaia lavora effettivamente,
questa deve essere minore o uguale alla pressione di bollo.
•
La superficie di riscaldamento [m2]: l’area di scambio tra la fiamma/fumi e l’acqua.
•
La potenzialità specifica [Kg/m2 x h]: il vapore prodotto in un’ora rispetto alla
superficie di riscaldamento
•
Il rendimento [%]: il rapporto tra il calore scambiato con l’acqua e il calore prodotto
nella combustione.
•
Indici di vaporizzazione [Kg vapore/Kg combustibile]: il rapporto tra i Kg di vapore
prodotti e i Kg di combustibile bruciati.
Come si classificano le caldaie?
Normalmente si dividono in base alla pressione di esercizio:
•
Bassa pressione
fino a 1 atm.
•
Media pressione
da 1 a 15 atm.
•
Alta pressione
da 15 a 100 atm.
•
Altissima pressione
maggiore di 100 atm.
Si dividono inoltre in base al percorso dei fumi:
•
Tubi di fumo: l’acqua bagna la parte esterna dei tubi all’interno dei quali passano i
fumi. (FIG.15)
•
Tubi di acqua: l’acqua passa all’interno dei tubi e i fumi all’esterno. (FIG.14)
Quali sono le caratteristiche principali delle caldaie a tubi di fumo?
Si utilizzano per potenzialità comprese tra 500 e 20.000 Kg/h e pressione fino a 20 atm.
Sono essenzialmente dei recipienti cilindrici orizzontali di lamiera in acciaio, con diametro
variabile da 1 a 3 metri e lunghezza da 1 a 15 metri.
Le due basi del cilindro si chiamano piastre tubiere perché su queste si innestano il focolare
(grande tubo dove si sviluppa la fiamma prodotta dalla combustione), e i tubi ebollitori, tubi di
fumo, dove il fumo passa e dopo aver ceduto il suo calore all’acqua viene scaricato al camino.
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FIG.14
FIG.15
Tubi di fumo
Tubi d’acqua
Quali sono gli accessori principali delle caldaie e tubi di fumo?
Le caldaie sono normalmente dotate dei seguenti accessori:
•
Indicatore di livello: è un tubo verticale con finestra di vetro (resistente alla pressione
ed alla temperatura) in comunicazione tramite due tubi con l’interno della caldaia;
attraverso il vetro, si può vedere a che livello si trova l’acqua in caldaia e verificare che
esso non scenda mai sotto il livello minimo (ciò potrebbe causare esplosioni disastrose).
•
Manometro: è lo strumento di misura ed indica la pressione in caldaia, è necessario
verificare che tale pressione non superi mai la pressione di bollo.
•
Valvola di sicurezza: serve a scaricare il vapore quando la pressione supera il valore di
bollo.
•
Pompa di alimento: (1 + 1 di riserva). Serve ad introdurre in caldaia l’acqua per la
produzione di vapore, normalmente ha una portata almeno 2 volte maggiore della
potenzialità della caldaia (es. potenzialità: 1000 Kg/h - pompa: 2 m3/h).
•
Valvola di spurgo: per scaricare l’acqua di caldaia al fine di evitare l’accumulo dei sali..
•
Passo d’uomo: è uno sportello autoclave che consente l’ispezione interna della caldaia
spenta per verificarne lo stato (depositi, corrosione, rotture).
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FRONTE
LATO
Schema caldaia a tubi di fumo
Schema caldaia a tubi di fumo
Camino
Acqua
alimento
Vapore
Cassa
fumo
Bruciatore
Spurgo
FIG.16
FIG.17
Come è fatto l’impianto di combustione?
Innanzitutto poche nozioni fondamentali sulla combustione:
È la reazione di ossidazione tra una sostanza ossidabile (combustibile) e una sostanza ossidante
(comburente), tale reazione, che nella pratica avviene tra gas metano o nafta e aria, alla
temperatura di accensione, specifica per ogni combustibile, sviluppa una determinata quantità
di calore che dipende dal potere calorifico.
Nella pratica l’impianto di combustione è costituito da:
•
Un ventilatore elettrico che fornisce l’aria occorrente alla combustione (circa 10 ÷ 12
m3 di aria per Kg di combustibile).
•
Una pompa di spinta per il combustibile all’atomizzatore, dove viene spruzzato in
gocce finissime e mescolato con l’aria comburente.
Maggiore sarà la fluidità dell’olio combustibile e minori saranno le morchie e i depositi
migliorando così l’atomizzazione e, quindi, la resa di combustione.
FIG.19
FIG.18
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POTERE CALORIFICO INFERIORE (Kcalorie)
Gas Naturale
Gas di Città
Gas di Cokeria
Gas di Altoforno
CARBONE ESTERO:
Anatracite
Litantrace
CARBONE NAZIONALE
Sulcis Mercantile
Antracite
Combustibili Vegetali(legna e bassi prodotti)
Lignite xiloide (20% in H2O)
Coke da Gas
Coke Metallurgico
Petrolio Greggio
G.P.L.
Gas di Raffineria
Distillati Leggeri
Benzina Auto e Avio
Carboturbo
Kerosene
Gasolio
Olio Combustibile
Coke di Petrolio
1 m3
1 m3
1 m3
1 m3
8.210
4.220
4.220
890
1 Kg
1 Kg
7.620
7.400
1 Kg
1 Kg
1 Kg
1 Kg
1 Kg
1 Kg
1 Kg
1 Kg
1 Kg
1 Kg
1 Kg
1 Kg
1 Kg
1 Kg
1 Kg
1 Kg
5.330
5.330
2.520
2.220
6.360
7.030
9.990
10.920
11.920
10.430
10.500
10.430
10.290
10.210
9.760
8.290
TAB.06
Quali sono i problemi del ciclo acqua - vapore normalmente riscontrati nei generatori
dl vapore?
I problemi che si possono avere nell'esercizio delle caldaie a causa dell'acqua sono
essenzialmente tre:
•
Incrostazioni: nel generatore di vapore.
•
Corrosioni:
o Nella linea dell'acqua di alimento
o In caldaia
o Nella rete vapore-condensa.
•
Trascinamento: acqua di caldaia nel vapore.
SCHEMA SISTEMA
PRODUZIONE VAPORE
DEGASAT
RECUPERO
GENERATORE
VAPORE
Zep
ALIMENTO
CALDAIA
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FIG.20
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da questa premessa nasce 1'esigenza di descrivere meglio l’intero sistema di produzione vapore:
•
Pretrattamento
•
Deareazione
•
Trattamento interno
•
Trattamento linea vapore-condense
Pretrattamento
Nel pretrattamento, l'obiettivo è quello di eliminare la durezza (nel caso degli addolcitori) o di
ridurre la salinità totale (nel caso di demineralizzatori o negli impianti ad osmosi inversa).
In tutti i casi, è necessario che i sali di calcio e magnesio siano assenti nell'acqua di alimento
caldaia, altrimenti precipiterebbero formando depositi calcarei sui tubi riducendo lo scambio
termico, fino ad arrivare al rischio di surriscaldamento e rotture dei tubi stessi.
Quale è il sistema di pretrattamento più diffuso?
L'impianto più semplice e più diffuso è l'addolcitore.
Nell'impianto avviene lo scambio ionico, su resine, tra i sali di calcio e magnesio e i sali di sodio
utilizzati per la rigenerazione.
La verifica più semplice consiste quindi nel controllare che l'acqua prodotta dall'addolcitore sia
priva di ioni calcio e magnesio.
Il limite imposto dalla normativa, per la concentrazione di durezza nell'acqua di alimento dei
generatori di vapore a bassa pressione è 0,5 °F (5 grammi/metro cubo espressi come CaCO3).
Se la durezza è maggiore è bene verificare:
•
Che l'impianto sia ben dimensionato (volume del ciclo di esercizio)
•
Che le caratteristiche dell'acqua di reintegro non siano cambiate rispetto ai dati di
progetto
•
Che siano rispettati i tempi del ciclo (controlavaggio, rigenerazione, lavaggio)
•
Che il volume di resina nell'impianto non sia diminuito e che le resine abbiano una
buona efficienza di scambio (non siano sporche o inquinate)
FIG.21
FIG.22
18
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E
ADDOLCITORE
SCHEMA
DIFFUSORI ACQUA GREZZA
INGRESSO SALAMOIA
EIETTORE PER
DILUIZIONE SALAMOIA
DISTRBUTORI
SALAMOIA
INGRESSO ACQUA
LETTO RESINE
USCITA ACQUA
FILTRI
VALVOLE DI CONTROLLO
SCARICO
DISCO SUPPORTO
FIG.23
Come funzionano i demineralizzatori e gli impianti ad osmosi inversa?
i demineralizzatori non si limitano a scambiare calcio e magnesio, ma eliminano tutti i sali
presenti nell'acqua utilizzando due colonne di
RESINE INQUINATE
resine a scambio ionico:
•
La prima colonna cationica scambia i
cationi (Na+ Ca++ Mg++ Fe++) con ioni
H¯ (si usa acido cloridrico per la
rigenerazione).
•
La seconda colonna anionica scambia
gli anioni (HCO3¯ CI¯, SO4 ¯ ¯) con
ioni OH¯ (si usa soda caustica per la
rigenerazione).
•
DA SALI
FIG.24
ADDOLCITORE
FASE DI ADDOLCIMENTO
+
Il prodotto finale e l’acqua pura (H +
OH¯ = H2O) con piccole tracce di sali
che sfuggono al processo (0 → 10
S/cm).
Negli impianti ad osmosi inversa si ottiene un
risultato analogo sfruttando la capacita che
hanno speciali membrane a trattenere i sali
lasciando passare l’acqua pura.
DA SOSTANZE
ORGANICHE
Ca
Mg Ca
Ca Mg
Na
Na
• L’acqua, contentenente ioni
calcio (Ca) e magnesio (Mg),
attraversa il letto di resine, dove
avviene lo scambio ionico : la
resina trattiene il calcio e il
magnesio, e rilascia nell’acqua
gli ioni sodio (Na)
Goccia di acqua
contenente durezza
Na
Na
Na
Resina cationica
a ciclo sodico
Na
ADDOLCITORE
FASE DI RIGENERAZIONE
•
Na
Na
Na Na
Na Na
Mg Ca
Mg
La soluzione rigenerante
(salamoia. satura di cloruro di
sodio, ioni Na), attraversa il
letto di resine esauste, sature di
durezza (Ca e Mg), si ripristina
la situazione iniziale e, la resina
è pronta per un altro ciclo di
scambio ionico
Mg
Ca Mg Ca
Goccia di acqua
contenente salamoia
Resina cationica
esausta
FIG.25
FIG.26
19
FIG.26
N
O
T
E
T
E
C
N
C
H
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ZEP Italia –N
NO
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TO
OA
AC
CQ
QU
UA
A
Che cos’è la degasazione?
È un’operazione che serve ad eliminare i gas presenti nell’acqua, ed in particolare, l’ossigeno (O2)
e l’anidride carbonica (CO2); entrambi causa di corrosione nel sistema acqua - vapore.
In pratica, il degasatore sfrutta la legge fisica (HENRY) per la quale la solubilità dei gas e
inversamente proporzionale alla temperatura, quindi, riscaldando l’acqua in controcorrente al
vapore si ottiene lo strippaggio dell’ossigeno e dell’anidride carbonica.
Quali sono i parametri operativi dl un degasatore?
Un degasatore termofisico normalmente lavora alla temperatura di 103 105°C e, nelle condizioni
di massima efficienza, è in grado di ridurre l’ossigeno a valori di 10 ÷ 20 ppb (parti per miliardo).
È sufficiente la degasazione termofisica per eliminare l’ossigeno?
No, anche gli impianti più efficienti non eliminano 1’ossigeno al 100% quindi, per garantirne
1’assenza totale, è sempre necessario utilizzare un deossigenante chimico.
C’è da dire, inoltre, che negli impianti di piccola o media potenza non viene utilizzato il
degasatore quindi, diventa fondamentale l’uso di un prodotto deossigenante.
Quale deossigenante viene utilizzato?
Per i sistemi a bassa – media pressione (fino a 40 atm) il deossigenante più utilizzato è il solfito
catalizzato. I1 solfito catalizzato è caratterizzato da una rapida velocità di reazione, è facile da
utilizzare ed analizzare, è approvato FDA (Food & Drug Administration degli Stati Uniti, ente
preposto al controllo ed alle approvazioni per l’uso dei prodotti chimici), per caldaie produttrici
di vapore che può venire a contatto con alimenti o farmaci.
Come si completa il trattamento chimico interno?
Il pretrattamento serve ad eliminare i sali ed i gas che possono causare incrostazioni e
corrosione; con il trattamento chimico si completa la stabilizzazione dell’acqua addizionando:
•
Prodotti deossigenanti per eliminare completamente l’ossigeno.
•
Prodotti antincrostanti – disperdenti per prevenire i depositi legati ad eventuali fughe di
durezza dall’impianto di pretrattamento.
•
Prodotti alcalinizzanti o dealcalinizzanti per controllare pH e alcalinità in caldaia.
•
Controllando la concentrazione salina attraverso gli spurghi.
FIG.27
FIG.28
20
T
T
R
A
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T
A
M
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N
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ZEP Italia –N
NO
OT
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CN
NIIIC
CH
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E
Che cosa sono gli spurghi?
L’acqua di alimento, per quanto pretrattata efficacemente, porta con se alcune impurità (tracce di
durezza, alcalinità, sali).
Tali impurità risulteranno in tracce, quando l’acqua di alimento è costituita prevalentemente da
acqua demineralizzata e/o da condensato (acqua distillata), ma molto elevate in caso di acqua
addolcita con bassa percentuale di recupero condense.
In entrambi i casi i sali che entrano in caldaia tenderanno nel tempo ad accumularsi; per evitare
ciò si rende necessario scaricare periodicamente l’acqua di caldaia, evitando valori eccessivi di
alcalinità e conducibilità.
L’entità dello spurgo sarà proporzionale alla purezza dell’acqua di alimento, nel senso che
maggiore è la concentrazione di sali nell’acqua di alimento, maggiore sarà lo spurgo necessario
per mantenere 1’acqua di esercizio entro i limiti imposti dalla normativa (NORMA UNI-7550)
ESTRATTO NORMA UNI - 7550
TIPO GENERATORE
PRESSIONE DI ESERCIZIO
DEI GENERATORI
(bar)
PARAMETRI
UNITA’ DI
MISURA
pH
Durezza Totale
Ossigeno
Anidride Carbonica
Libera
Ferro
Rame
Sostanza Oleose
Sostanza Organiche
A TUBI DI FUMO O CORNOVAGLIA
ACQUA
SURRISCALDATA
15
25
mg CaCO 3 /kg
7 g O 2 /kg
7 g CO 2 /kg
7 g Fe/kg
7 g Cu/kg
mg/kg
Limite
da
a
7.5
9.5
5
3
Frequenza
Limite
Frequenza
Limite
ACQUA DI ALIM EN TO
7.5
7.5
T
T
9.5
9.5
S
S
5
5
T
T
100
50
S
200
200
S
T
100
100
1
S
S
T
100
100
1
Frequenza
20
Limite
T
S
T
S
S
8.5
9.3
5
100
S
S
T
100
100
40
Frequenza
Limite
Frequenza
T
S
8.5
9.3
0.5
10
T
S
S
S
100
10
S/2
S/2
T
T
5
3
S
S
ACQ UA DEL GEN ERATORE
pH
9
9
9
9
9
T
T
T
T
T
da
12
11.7
11.7
11
S
S
S
a 10
Alcalinità Totale
mg CaCO 3 /kg
1000
750
750
300
T
T
T
T
Durezza Totale
mg CaCO 3 /kg
5
5
5
T
T
T
Conduttività Totale
2000
G
7000
6000
7000
6000
G
G
G
T
7 S/cm
STD
mg/kg
1000
S
3500
3000
3500
2500
S
S
S
S
Silice
mg SiO 2 /kg
150
S
150
150
100
35
S
S
S
G
Fosfati
mg PO 4 /kg
30
S
30
30
30
10
S
S
S
G
Condizionanti: per mantenere i valori indicati, oltre all’uso corretto dei sistemi di trattamento acqua e dello spurgo si presuppone
l’utilizzazione di condizionanti. I dosaggi di tali reagenti ed i limiti sono in relazione alla natura degli stessi.
Note:
S = Settimanale
S/2 = Bisettimanale
T = Ogni Turno
G = Giornaliera
TAB.06
Quali sono i problemi nella linea vapore condensa?
Il vapore puro, condensando, diventa acqua distillata; il pH dell’acqua distillata (pH = 7) è
corrosivo per il ferro e le sue leghe, quindi il vapore, condensando e raccogliendosi nelle
tubazioni di raccolta e recupero, provoca corrosione.
FIG.29
21
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O
T
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T
E
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N
C
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A
Se nel vapore è presente anidride carbonica (in tutti i casi nei quali si usa acqua addolcita), questa,
condensando, forma acido carbonico che, abbassando ulteriormente il pH, accelera il fenomeno
corrosivo. La corrosione sul ferro tende a diminuire a valori prossimi a 8,5 e diventa trascurabile
nell’intervallo di pH compreso tra 9 e 11,5.
Questo fenomeno porta alla foratura dei tubi, alla perdita di condensato (l’acqua distillata ha un
elevato valore economico legato ai costi di demineralizzazione e al contenuto termico).
Come si risolve il problema della corrosione acida delle condense?
Il problema si risolve alcalizzando opportunamente il vapore, quindi le condense con prodotti
inibitori di corrosione neutralizzanti.
Sono molecole volatili che, condensando insieme al vapore neutralizzano ed alcalizzano le
condense assicurando un pH ≥ 8,5 ottimale per la protezione del ferro.
Come si usano e valutano i risultati?
La protezione dalla corrosione si può valutare analizzando le concentrazione di ferro nelle
condense e verificando che il pH delle condense sia maggiore del valore 8,5.
Cos’è il trascinamento?
In alcune condizioni 1’acqua di caldaia, compresi i sali in essa disciolti, tende ad essere trascinata
nel vapore, ciò rappresenta un problema soprattutto quando viene richiesto vapore puro.
I trascinamenti sono normalmente causati da:
•
Formazione di schiuma in caldaia
• Improvvise punte di richieste di vapore.
Per prevenire tali problemi, oltre ad evitare punte di richieste di vapore, è necessario mantenere
un corretto tenore degli spurghi dell’acqua di caldaia per prevenire schiumeggiamenti, evitare
inquinamenti da sostanze organiche dalle condense e controllare costantemente il livello
dell’acqua nel generatore.
I circuiti di raffreddamento
Cosa sono?
Tutte le volte che è necessario mantenere sotto controllo la temperatura si usa quasi sempre
l’acqua.
EVAPORATO
T2 acqua calda
riempimento
SCAMBIATORE
DI CALORE
vasca di accumulo
T1 acqua fredda
REINTEGRO
ZEP
POMPA
DI RICIRCOLO
SPURGO
FIG.30
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E
Nei processi di trasferimento del calore essa è usata come fluido che riceve calore dal fluido
caldo.
Questo perché:
•
L’acqua è disponibile quasi ovunque
•
Non costa molto
•
È di facile utilizzo
•
Si può trasferire facilmente
•
Entro certi limiti non cambia le sue caratteristiche
•
Ma, soprattutto, perché ha un’elevata capacità termica, cioè una buona capacità di
assorbire calore.
Come abbiamo visto all’inizio, 1’acqua disponibile può essere superficiale (laghi e fiumi) o di
falda (pozzi); occorre tener conto dei parametri chimici più importanti e capire come variano nel
tempo. Per quanto riguarda la chimica dell’acqua di raffreddamento in torre evaporativa, i
parametri essenziali sono quelli già analizzati nei sistemi di acqua sanitaria, circuiti chiusi e
generatori di vapore. Per quanto riguarda l’aspetto impiantistico, i sistemi a torre evaporativa
sono anche detti sistemi di raffreddamento aperti, dove questo aggettivo sta ad indicare che il
sistema scambia calore e materia (vapore) con 1’esterno, a differenza dei sistemi chiusi, dove c’è
scambio di calore ma non c’è (quasi) scambio di materia.
Le parti essenziali di un sistema di raffreddamento con torre evaporativa sono:
•
lo scambiatore di calore
• la torre di raffreddamento
L’acqua viene inviata, tramite la pompa, allo scambiatore di calore, dove raffredda il fluido di
processo (la sua temperatura aumenta T2 > T1), quindi si raffredda a sua volta attraverso la torre
e ritorna nella vasca di accumulo. All’interno della torre, 1’acqua si distribuisce uniformemente,
ed incontra 1’aria che viene aspirata dai ventilatori posti alla sommità della torre. Per effetto della
evaporazione (processo fisico che richiede calore fornito dall’acqua stessa) 1’acqua si raffredda
(la sua temperatura diminuisce T1 < T2) ed è pronta a raffreddare nuovamente il fluido di
processo.
Cos’è lo scambiatore di calore?
Nello scambiatore di calore 1’acqua di raffreddamento, che proviene dalla torre (acqua fredda),
raffredda il fluido di processo.
La quantità di calore scambiata dipende dalla portata dell’acqua, dalla superficie di scambio, dalla
differenza di temperatura, e dal coefficiente di scambio termico: maggiore è il coefficiente,
maggiore è l’efficienza di scambio.
CALORE SCAMBIATO
Q = W x A x U x ( T2 - T1 )
W portata oraria
A
superficie di scambio
U
coefficiente di scambio termico
T2-T1
salto termico
m3/h
m2
cal/h/m2/°C
°C
FLUIDO CALDO
ACQUA FREDDA
T1
DALLA TORRE
FLUIDO RAFFREDDATO
ACQUA CALDA
T2
ALLA TORRE
FIG.31
23
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A
Il coefficiente di scambio termico dipende da molti fattori impiantistici, e dipende dall’indice di
sporcamento della superficie di scambio (vedi Norma UNI 8884).
Risulta abbastanza evidente che se la superficie di scambio è coperta da depositi inorganici (es.
calcare, ossidi di ferro) o depositi organici (limo), lo scambio termico viene notevolmente
ridotto. Ricordiamo a tal fine che il carbonato di calcio conduce il calore 50 volte meno del ferro.
È importante quindi mantenere la superficie di scambio
pulita.
Lo sporcamento, e più in generale i problemi dello scambio
di calore, sono legati a:
•
Incrostazioni
•
Corrosioni
SCAMBIATORE
DI CALORE
FIG.32
• Depositi di natura microbiologica
Problemi questi, che vanno risolti con un approccio globale, tenendo presente che un sistema
pulito, quindi efficiente, deve essere esente da incrostazioni, corrosioni e depositi di natura
microbiologica.
Incrostazioni nei circuiti di raffreddamento
In un circuito di raffreddamento si possono formare delle incrostazioni dovute alla
precipitazione di sali non solubili in acqua alle condizioni di esercizio.
Questi depositi sono principalmente
•
Carbonato di calcio
IN D IC E D I R Y Z N A R D
• Silice
ed in condizioni particolari
•
Fosfato di calcio
•
Composti del magnesio
T E N D E N Z A D E L L ’A C Q U A
IN C R O S T A N T E
C O R R O S IV A
Ir
2
3
4
5
6
7
8
9
10
FIG.33
I sali precipitano perché si supera la loro solubilità, ed operativamente ciò è legato a 4 variabili:
1. Calcio e alcalinità [ pH]
2. Temperatura
3. Conducibilità
4. Fattore di concentrazione
Queste quattro variabili influenzano l’indice di RYZNARD [Ir] che esprime la tendenza di
un’acqua ad essere più o meno incrostante (vedi Norma UNI 8884):
Ir 4÷5
molto incrostante
Ir 5÷6
incrostante
Ir 6÷7
poco incrostante e poco corrosiva
Ir 7÷7,5
corrosiva
Ir 7,5÷8
molto corrosiva
24
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E
La formazione dei depositi dipende inoltre da una variabili di tipo fisico:
la velocità dell’acqua nello scambiatore (si raccomanda sempre una velocità > 1 metro /secondo
al fine di evitare fenomeni di sedimentazione dei sali.
Operativamente, per controllare le incrostazioni è quindi necessario agire sulle variabili
analizzate, e trattare 1’acqua con un efficace programma stabilizzante.
FIG.34
FIG.35
Corrosioni nei circuiti di raffreddamento
La corrosione nei circuiti di raffreddamento è essenzialmente legata alla elevata concentrazione
di gas disciolti (ossigeno O2 - anidride carbonica CO2), al pH dell’acqua, alla temperatura ed alla
presenza di depositi inorganici od organici.
Un altro tipo di corrosione, definita corrosione galvanica, è legata alla presenza di metalli a
diverso potenziale di ossido-riduzione, secondo la serie galvanica.
La corrosione, che si misura attraverso appositi provini, (secondo norme UNI 8884) è
considerata sotto controllo quando 1’indice di corrosione è inferiore a 0,15 mm per anno.
In realtà la misura sperimentale viene effettuata per differenza peso e poi trasformata in mm per
anno.
Il controllo viene effettuato mediante 1’utilizzo di efficaci inibitori di corrosione ed agendo,
attraverso il Fattore di Concentrazione, sul pH, Alcalinità e durezza calcica dell’acqua di ricircolo,
spostando l’Indice di Ryznard su valori inferiori a 6.
SERIE GALVANICA
FIG.36
TAB.07
25
PLATINO
ORO
ACCIAIO INOX 316
ACCIAIO INOX 304
TITANIO
RAME
BRONZO
NICHEL
STAGNO
PIOMBO
FERRO
ACCIAIO AL
CARBONIO
ACCIAIO ZINCATO
MAGNESIO
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Che cos’è il fouling (sporcamento)?
I circuiti di raffreddamento sono sistemi aperti, il che significa che avviene scambio di calore e di
materia (aria, acqua) con 1’ambiente.
È quindi normale che nel circuito, oltre ai depositi inorganici, ed ai prodotti di corrosione (ossido
di ferro) si possano accumulare sabbia, polvere, sostanze organiche e masse di natura
microbiologica.
Tutto ciò viene definito, con un termine inglese: fouling (sporcamento).
Alcune cause di fouling sono dovute a fattori non controllabili, quali la contaminazione dall’aria,
la presenza di materiale in sospensione nell’acqua di reintegro, la contaminazione dell’acqua dal
fluido di processo.
Ma la principale causa del Fouling, quella legata alla crescita microbiologica, (alghe, funghi e
batteri) è controllabile attraverso un efficace trattamento che preveda 1’utilizzo di biocidi e la
verifica dei risultati attraverso l’analisi microbiologica dell’acqua.
CLASSIFICAZIONE
DESCRIZIONE
PROBLEMI
BATTERI
filamentosi (solfo batteri, ferro
batteri e streptomiceti)
scivolosi a forma di filamento, color
grigio o verde
fouling
corrosivi (desulfovibrio e
clostridi)
neri, granulari, crescono sotto i
depositi
corrosione, sviluppo di gas
non sporigeni (flavo batterium,
acaligenes, pseudomonas,
achromobacter, aerobacter,
mucoids)
sporigeni (bacillum subtilis,
bacillum cereus, bacillus
meagatherium, bacillum
mycoides)
gelatinosi, flocculati, mucosi,
possono essere colorati
fouling, sviluppo di gas,
facilitano la crescita di batteri
corrosivi
gelatinosi, possono essere colorati
fouling, facilitano la crescita di
batteri corrosivi
scivolosi, coperti di peluria,
normalmente incolori, a volte verdi
degradazione del legno,
formazione di celle di
corrosione, fouling
mucosi, gommosi possono essere
colorati o incolore
formazione di celle di
corrosione, fouling
sole o associate in forma di limo
verdi o blu crescono soltanto in
presenza di luce
fouling, facilitano la crescita di
batteri corrosivi
FUNGHI
(aspergillus, penicillium,
trichoderma, cladosporium,
mucor)
LIEVITI
(monilia, oospora, torula,
endomyces, rhodotorula)
ALGHE
(chroococcus, oscillatoria,
chlorococcus, ulothrix, navicula,
fragilaria)
26
TAB.08
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La torre di raffreddamento
Che cos’è?
Definizione (norma UNI 8774):
una torre di raffreddamento, (o refrigerante atmosferico) è uno scambiatore di calore che
permette di raffreddare 1’acqua per contatto diretto con 1’aria e per evaporazione di una parte
dell’acqua stessa.
Allo scopo di aumentare la superficie di scambio con l’aria, 1’acqua viene finemente suddivisa in
gocce, incontra un flusso d’aria in controcorrente, e viene raccolta in una vasca.
La potenza della torre, espressa in frigorie
/ ora dipende:
dalla portata di ricircolo, quindi da quanta
acqua ricircola nella torre nell’unita di
tempo (Q)
dal salto termico (T2 - T1)
Dalla portata di ricircolo e dal salto termico
dipende inoltre l’Evaporato (E) che
costituisce la quantità d’acqua che,
evaporando, sottrae calore all’acqua stessa,
ZEP
raffreddandola.
Ogni metro cubo (tonnellata) d’acqua
evaporata, smaltisce 560.000 Kilocalorie.
EVAPORATO
T2 acqua calda
riempimento
SCAMBIATORE
DI CALORE
vasca di accumulo
T1 acqua fredda
REINTEGRO
POMPA
DI RICIRCOLO
SPURGO
FIG.37
L’acqua evaporata (E) viene reintegrata dal Reintegro (R), che dovrà equilibrare anche le perdite
dovute allo Spurgo (S).
Lo Spurgo è necessario per controllare la concentrazione dei sali, che in assenza dello stesso
aumenterebbe all’infinito, per effetto dell’evaporazione.
Il controllo della concentrazione delle sostanze, contenute nell’acqua di ricircolo, è la parte
fondamentale di una corretta conduzione di un circuito con torre evaporativa.
Maggiore sarà la portata di spurgo, minore sarà il fattore di concentrazione, minore quindi la
concentrazione di Calcio, Alcalinità, Silice, minore quindi la tendenza alla formazione di
depositi (Ir elevato). Per contro, maggiore sarà la portata di spurgo, maggiore sarà il consumo
di acqua e di prodotti.
Risulta quindi evidente che una corretta gestione del circuito si realizza attraverso un attento
studio delle caratteristiche dell’acqua e dell’impianto, per definire il fattore di concentrazione
ottimale.
EVAPORATO
E (m3 / h)
REINTEGRO (R) = EVAPORATO (E) + SPURGO (S)
E = Qx(T2- Tl )/560
RxCr = SxCs
Nc = Cs/Cr = R/S
R = E x Nc / ( Nc – 1 )
S =Ex/(Nc-1)
Q=
portata di ricircolo
Nc =
fattore di concentrazione
Cr =
concentrazione sali nel reintegro (ppm)
Cs =
concentrazione sali nello spurgo
RICIRCOLO
T2
TAB.09
T1
REINTEGRO
R (m3 / h)
27
SPURGO
S (m3 / h)
FIG..38
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AC
CQ
QU
UA
A
Nel grafico, viene evidenziata la variazione della portata di reintegro e di spurgo, in funzione del
fattore di concentrazione (per una torre con un evaporato di 10 m3/h).
REINTEGRO E SPURGO AL VARIARE DEL FATTORE DI
CONCENTRAZIONE (Nc)
Evaporato=10m3/h
60
50
REINTEGRO
SPURGO
40
30
20
10
0
1,2 1,4 1,6 1,8
2
2,2 2,4 2,6 2,8
3
Nc
FIG.39
Come si nota, oltre un certo valore di Nc il risparmio di acqua diventa irrisorio, es:
•
Passando da Nc = 1,2 a Nc = 1,4 la portata di reintegro si riduce da 60 a 35 mc /h con
un risparmio di 25 mc
•
Passando da Nc = 2,0 a Nc = 2,2 la portata di reintegro si riduce da 20 a 18 mc /h con
un risparmio di 2 mc
Quindi, a parità di incremento del fattore di concentrazione, si ottengono risparmi di acqua
minori man rnano che il fattore stesso aumenta.
Una gestione accurata dovrà tener conto di queste variabili utilizzando un programma di
trattamento efficace alle condizioni di esercizio corrispondenti al fattore di concentrazione
ottimale.
Nel selezionare il trattamento chimico, quindi, sarà necessario verificare:
•
Le caratteristiche dell’acqua di Ricircolo alle condizioni di esercizio stabilite (Nc)
•
Controllare gli spurghi affinché
concentrazione sia rispettato
•
Controllare parametri del trattamento (additivi ed analisi)
il
fattore
FIG.40
28
di
T
T
R
A
T
T
A
M
E
N
T
O
A
C
Q
U
A
TR
RA
AT
TT
TA
AM
ME
EN
NT
TO
OA
AC
CQ
QU
UA
A
N
O
T
E
T
E
C
N
C
H
E
ZEP Italia –N
NO
OT
TE
ET
TE
EC
CN
NIIIC
CH
HE
E
Acqua di ricircolo
Riportiamo in TAB.10 le caratteristiche dell’acqua di ricircolo secondo le specifiche della
normativa UNI 8884 integrate dalla casistica ZEP.
Nel grafico di FIG. 42 è riportata 1’area di stabilità degli stabilizzanti Zep, in funzione dei valori
di Calcio e Alcalinità con evidenziate le aree critiche per incrostazioni e corrosioni.
CARATTERISTICHE ACQUA
.
PARAMETRI
Aspetto
RICIRCOLO
Limpido ed incolore
pH
Conducibilità
Solidi Totali Disciolti
Durezza Totale
Durezza Calcica
Alcalinità
> 7,2 (8 - 9)
< 5000 μs / cm
< 3000 ppm
vedi grafico
vedi grafico
600 ppm
1000 ppm se addolcita
1000 ppm
125 ppm rapportata alla
concentrazione della durezza
magnesiaca
2,5 ppm
Cloruri
Silice
Ferro + Manganese
TAB.10
Come nell’esempio di FIG. 41, è necessario che il fornitore del servizio di trattamento acqua del
circuito di raffreddamento indichi le specifiche del programma, e definisca i requisiti da rispettare
per prevenire problemi di incrostazioni e corrosioni.
Una volta definiti i parametri e le specifiche dell’acqua di ricircolo, è necessario controllare il
fattore di concentrazione per assicurare la conformità, nel tempo, alle specifiche.
Il rispetto del fattore di concentrazione, quindi dei parametri dell’acqua di ricircolo, viene
assicurato da un corretto controllo degli spurghi.
Il parametro chimico-fisico più direttamente correlabile al fattore di concentrazione è la
conducibilità, quindi, attraverso il controllo della conducibilità si ottiene il controllo del fattore di
concentrazione.
Si raccomanda quindi di installare un sistema automatico che misuri costantemente la
conducibilità dell’acqua di ricircolo controllando la quantità di spurgo.
STABILIZZANTI ZEP
campo di applicazione acqua di torre
ALCALINITA’ M ( ppm CaCO3 )
Parametri di controllo acqua di ricircolo
8,4
AREA CRITICA PER L’INCROSTAZIONE
600
9,5
pH
500
300
500
alcalinità totale
durezza totale
400
100
300
< 1000
cloruri
stabilizzante ZEP
AREA DI STABILITA’
800
200
AREA CRITICA PER LA CORROSIONE
50
100
200
(ppm)
100
200
300
400
500
600
700
800
900
DUREZZA TOTALE ( ppm CaCO3 )
FIG.42
FIG.41
29
N
O
T
E
T
E
C
N
C
H
E
ZEP Italia –N
NO
OT
TE
ET
TE
EC
CN
NIIIC
CH
HE
E
T
T
R
A
T
T
A
M
E
N
T
O
A
C
Q
U
A
TR
RA
AT
TT
TA
AM
ME
EN
NT
TO
OA
AC
CQ
QU
UA
A
Controlli
Il trattamento si completa con:
•
Il controllo analitico dei parametri microbiologici (colonie/ml < 10.000 – 100.000).
•
Il dosaggio periodico di biocidi atti ad evitare la crescita microbiologica, alternando gli
attivi per prevenire fenomeni di assuefazione.
•
Il controllo analitico, tramite provini, della corrosione del circuito (tasso di corrosione su
acciaio al carbonio < 0,15 mm/anno).
•
Un sistema di alimentazione e dosaggio dei prodotti chimici stabilizzanti e biocidi.
•
Un rapporto scritto su tutti i parametri di controllo dell’impianto.
Nel grafico seguente sono riportati i parametri analitici necessari al controllo del trattamento.
Controlli
EVAPORATO
MS 100
Conducibilità
Durezza
Durezza Calcica
Alcalinità totale
Cloruri
Conducibilità
Durezza
Durezza Calcica
Alcalinità totale
Cloruri
Ferro
Conta batterica totale
Tasso di corrosione
riempimento
torre
vasca di accumulo
REINTEGRO
ZEP
POMPA
DI RICIRCOLO
SPURGO
FIG.43
30