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Processi di depurazione nell'acqua grezza Azione dell'acqua in caldaia: incrostazioni, corrosioni, trascinamenti. Importanza del trattamento dell'acqua (reintegro del vapore usato e perduto- condense recuperate). Trattamento interno (acqua bruta con aggiunta di prodotti chimici) o trattamento esterno (filtrazione, demineralizzazione e degasazione) Maggiore è la pressione e la temperatura in caldaia e quindi la potenzialità, maggiore è la purificazione necessaria. Trattamento interno All'acqua vengono aggiunte particolari sostanze capaci di far precipitare, all'interno della caldaia, i costituenti la durezza sotto forma di fanghi, melme, ecc. I fanghi vengono rimossi mediante spurghi e lavaggi. Sistemi di depurazione: 1) Sistema a soda Solvay (soda caustica). Si immette NaOH, che si trasforma in Na2CO3 : 12 g per m3 di acqua e per ogni grado di durezza permanente. Reazioni: Ca(HCO3)2 + 2 NaOH → Na2CO3 + CaCO3 + 2 H2O Mg(HCO3)2 + 4 NaOH → 2 Na2CO3 + Mg(OH)2 + 2 H2O CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2SO4 Inoltre ad alta temperatura Na2CO3 + H2O → 2NaOH + CO2 La CO2 è dannosa, viene trascinata con il vapore: la dissociazione continua. I carbonati di calcio e il magnesio idrato tendono a depositarsi. Meglio il sistema a fosfato 2) Sistema a fosfato trisodico Na3PO4 (costa più della soda): in commercio Na3PO4.12H2O o Na3PO4.10H2O. 30 g di fosfato per m3 di acqua e per grado di durezza permanente. Si passa così dai sali incrostanti ai sali non incrostanti. 3 Ca(HCO3)2 + 2 Na3PO4 → Ca3(PO4)2 + 3 Na2CO3 +3 H2O + 3 CO2 3 CaCO3 + 2 Na3PO4 → Ca3(PO4)2 + 3 Na2CO3 3 CaSO4 + 2 Na3PO4 → Ca3 (PO4)2 + 3 Na2SO4 3 CaCl2 + 2 Na3PO4 → Ca3(PO4)2 + 6 NaCl idem per il Mg. È opportuno dosare il fosfato in leggero accesso (in particolare quando la caldaia entra in funzione). La depurazione con fosfato è indicata particolarmente quando abbiamo un elevato tenore di silicati, perché vengono in buona parte abbattuti. Anche il ferro precipita come fosfato. In effetti le reazioni sono molto più numerose e complesse. Concludendo, il fosfato esplica molteplici funzioni: 1) Evita le incrostazioni in caldaia dovute a durezza residua. Infatti il calcio si trasforma in fosfato tricalcico che dà luogo ad un precipitato polverulento, che non ingenera

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incrostazioni. 2) Esercita un'azione protettiva contro gli attacchi caustici (NaOH) 3) Regola il pH (meglio della soda) 4) In presenza di magnesio agisce come desilicante: si forma fosfosilicato di magnesio, non incostante. Quindi il fosfato trisodico, per questi vantaggi, viene molto usato come correttivo in caldaia e nei processi di addolcimento (eliminazione di calcio e magnesio). I trattamenti interni, usati in impianti di potenzialità limitata, non eliminano però i sali in caldaia e favoriscono spesso i fenomeni di schiumeggiamento e sollevamento. Bisognerà quindi tenere sotto controllo: -acqua di alimentazione → durezza -acqua di caldaia → durezza, alcalinità salinità (con misure di densità o di conduttività) Trattamento esterno E’ usato per grossi generatori a)Trattamento a calce soda ( Ca(OH)2 e Na2CO3) Il trattamento può essere fatto a freddo e a caldo (80 ÷ 100 °C); a freddo è quasi abbandonato → fosfato trisodico. Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2 CaCO3 + 2 H2O CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + 2 NaSO4 MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaCl2 Mg(OH)2 precipita ed esercita un’azione flocculante sugli altri prodotti insolubili. b) Trattamento a fosfato trisodico, a caldo (con ritorno di spurghi di caldaia) Si hanno le azioni già viste: si elimina la durezza permanente e si può ottenere acqua con durezza 0. Si procede in due tempi: 1) primo raddolcimento usando gli spurghi alcalini di caldaia. La soda reagisce con i bicarbonati di Ca e Mg secondo le solite reazioni. Avremo carbonato di calcio e idrato di magnesio che precipitano, carbonato e solfato di sodio in soluzione. 2) Intervento del fosfato trisodico, che agisce sui sali di Ca e Mg formando fosfati, che precipitano e si eliminano mediante scarichi di fondo; in caldaia vanno solo i sali di Na (sodio). c) Trattamento con resine scambiatrici di ioni Principio: si sfrutta la proprietà che hanno speciali corpi (zeoliti (silicati), resine…) di effettuare uno scambio tra gli ioni depositati sulla loro superficie e quelli contenuti nell'acqua, quando questa viene a contatto con essi. Avremo due classi principali di resine scambiatrici di ioni: cationiche: scambiano i cationi anioniche: scambiano gli anioni resine cationiche → R.H2 carattere acido resine anioniche → R.OH carattere basico Importante di una resina e la "capacità di scambio": si esprime in grammi di carbonato di calcio CaCO3 per litro di resina e misura quantitativamente gli ioni scambiati. Molto importante è la resistenza meccanica dei granuli di resina, sottoposti in esercizio a sollecitazioni meccaniche e chimiche che possono provocarne lo sgretolamento. Possiamo avere due tipi di trattamento:

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1) a scambio di basi 2) demineralizzazione con resine cationiche ed anioniche 1) Scambio di basi Si utilizzano resine cationiche (zeoliti, permutiti,…). Sono allo stato sodico: R.Na2 Gli ioni calcio e magnesio Ca++ e Mg++ vengono scambiati con lo ione sodio Na+. I carbonati e solfati di Ca e Mg vengono sostituiti da carbonati e solfati di Na, solubili. Eliminiamo la durezza ma la salinità permane. Bisogna quindi tenere sotto controllo l'alcalinità. La resine vengono rigenerate con una soluzione di NaCl, cloruro di sodio. 2) Demineralizzazione La resine cationiche trasformano i sali in acidi liberi, successivamente la resine anioniche trattengono i radicali acidi → otteniamo così un'acqua esente da sali. Vediamo il meccanismo: Torre cationica R.H2 + CaSO4 ⇔ R.Ca + H2SO4 Rigenerazione: H2SO4 o HCl al 2 ÷ 5% R.Ca + 2 HCl ⇔ R.H2 + CaCl2 Torre anionica 2 R.OH + H2SO4 ⇔ R.SO4 + 2 H2O Rigenerazione: NaOH al 2% o Na2CO3 al 10% R.SO4 + 2 NaOH ⇔ 2R.OH + Na2SO4 L'acido, è ovvio, non deve andare in caldaia (corrosioni): bisogna quindi fare molta attenzione e controllare il pH. Inoltre bisogna tener presente che l'acqua demineralizzata è fortemente corrosiva, perché satura di ossigeno e priva di sostanze inibitrici. Bisogna quindi degasarla, anche nel caso che l'acqua demineralizzata, dopo un miscelamento, subisca un ulteriore degasazione. Riepilogando, i principali vantaggi della demineralizzazione sono:

1. produzione di acqua molto pura 2. eliminazione completa della CO2 3. soppressione della distillazione 4. non occorre somministrare calore → indipendenza dal funzionamento delle caldaie 5. elasticità nella produzione (punte molto variabili)

Svantaggi • non trattiene le sospensioni colloidali (tra cui sostanze organiche e parte della

silice). Le sostanze colloidali presenti nell'acqua da trattare isolano la superficie attiva dei granuli rendendola inefficiente. L'acqua da depurare deve avere torbidità molto bassa (inferiore a cinque ppm di SiO2). In caso contrario necessita un filtro chiarificatore.

• costo elevato delle resine • necessità di un certo reintegro annuo per sopperire alle perdite in esercizio • consumo elevato di reagenti quando l’acqua ha elevata salinità • pericolo che, a causa di un errore di manovra, una deficienza di controllo o una

segnalazione errata degli strumenti di misura, venga inviata acqua molto aggressiva agli apparecchi utilizzatori.

d) Distillazione È stato l'unico mezzo usato in passato per produrre acqua pura. Con la distillazione non si ottiene un’acqua completamente esente da sali. Infatti, nell’evaporazione si verificano sempre dai trascinamenti di sali, che si ritrovano poi nel condensato. Per limitare i

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trascinamenti, si tiene basso il coefficiente di vaporizzazione specifica e si utilizzano svariati altri accorgimenti analogamente a quanto si fa per i corpi cilindrici delle caldaie. Ricordiamo che un distillatore funziona sostanzialmente come una caldaia e quindi soffre degli stessi inconvenienti. Si ricorre sempre alla distillazione nel caso di acque ad elevato contenuto salino (acqua di mare, per esempio) dove la demineralizzazione è economicamente svantaggiosa per elevato consumo di reagenti richiesta. e) Degasazione E l'operazione con cui si eliminano i gas disciolti nell'acqua e cioè in particolare ossigeno e anidride carbonica. La degasazione deve essere tanto più spinta quanto più pressione e temperatura sono elevate (pressioni maggiori di 10 bar). L'acqua degasata è avidissima di gas e basta anche un brevissimo contatto con l'aria perché l'effetto della degasazione sia annullato. È importante quindi evitare zone in depressione (pompe, rami aspiranti, eccetera) e mantenere leggere sovrapressioni (serbatoi, tubi di adduzione). La solubilità di un gas nell'acqua è direttamente proporzionale alla pressione e inversamente alla temperatura (e su questo si basano i degasatori termici). La degasazione può essere effettuata per 1)via fisica → meccanica (o aerazione) o termica 2) via chimica 1) degasazione a caldo → in pressione o in depressione 2) degasazione chimica → idrazina N2H4 e Na2SO3 Ricordiamo poi un altro accorgimento → trucioli metallici (il ferro si ossida e fissa l'ossigeno).

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Vapore

Serbatoio Alimento

Alla Pompa AI imen re_.."..

Fig. 21 - Rappresentazione achematiea di un degasatore a caldo,

ACCESSORIUgelli atomizzatori

Riempimento a piatti forati o cassette

Valvola di sicurezza

Valvola di sfiato

Gruppo di riduzione vapore

Indicatore di livello

Loop controllo acqua di make-up

Troppo-pieno

Scale, passerelle e coibentazione

mantenuta attraverso l'azione di una valvola di tipo auto-azionato o in alternativa attraverso una valvola di regolazione sulla linea vapore, comandata da un trasmettitore di pressione. Il trasmettitore di livello posizionato sul serbatoio di accumulo comanda invece la valvola di regolazione sulla linea acqua di make-up. Un termometro ed un manometro visualizzano le condizioni operative dell'apparecchiatura.

Divisione Trattamento AcqueartesSede Operativa di SalernoZona Industriale Loc. Staglioni - 84020 Oliveto Citra (SA) - ITel. +39-0828995292 - Fax +39-0828995490e-mail:artes@bono.it - www.bono.it

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CERT-07899-2001-AQ-NPL-SINCERTConferito a Artes Ingegneria S.p.A.

Divisione Trattamento Acque artes

UNIVERSITA’ DI FIRENZEFacoltà di Ingegneria

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Dipartimento di Energetica “S.Stecco”Sezione di Macchine

Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA

Scambiatore a miscela (Degasatore) - 1

La rigenerazione si può effettuare anche con uno scambiatore a miscelaLe due portate (spillamento

ed acqua di alimento) sono miscelate in proporzioni tali da ottenere le condizioni di saturazione (liquido sotto; vapore sopra); il liquido estratto non è sottoraffreddato

La pressione dell’acqua di alimento e quella dello spillamento devono essere uguali