جزوه آموزش تصفیه آب دیگ بخار

1. مقدمه 

هدف جزوه حاضر شناسائی ناخالصی های آب بعنوان عوامل ایجاد اختلال در کار دستگاههای مولد بخار و بطورکلی دستگاههای حرارتی وبرودتی است. به این منظور شناخت آب خالص و سپس ناخالصی های آن اهمیت پیدا می کند. آب خالص در طبیعت آبی است که حاصل بارش ابرهاست. باران تا قبل از رسیدن به زمین هیچ گونه ناخالصی ندارد. اولین ناخالصی که قبل از رسیدن به زمین پیدا می کند آلوده شدن به گازهای اکسیژن و کربنیک است و به دلیل اسیدی شدن در نتیجه حل شدن گازها در آن به تدریج باانحلال مواد موجود در خاک، ناخالصی های دیگر نیز پدیدار می شود. مانند انحلال ترکیبات کلسیم، منیزیم ، آهن و منگنز که موجب بروز اختلال در کلیه صنایع و همچنین سیستم های حرارتی و برودتی خانگی و صنعتی می شود.

« آب خالص ماده ای است بی رنگ و بی بو با وزن مولکولی 18، وزن مخصوص 1، نقطه جوش 100 و نقطه ذوب 0 درجه سانتیگراد»

ناخالصی های عمده آب عبارت است از : 1- گازهای محلول مثل اکسیژن و گاز کربنیک 2- مواد واملاح محلول مانند کلسیم و منیزیم 3- کدورت 4- رنگ 5- میکروارگانیزمها 6- مواد مولد طعم و بو 

1. تصفیه آب 

تصفیه آب به مجموعه اعمال و روش هایی گفته می شود که به هدف حذف هر یک و یا همه ناخالصی های آب صورت می گیرد. درجه تصفیه آب بیان کننده درجه خلوص آب و نیاز دستگاهها و تجهیزات مختلف صنعتی به آب با آن درجه خلوص می باشد. مثلا" جهت مصرف آب در دستگاههای حرارتی هدف حذف املاح کلسیم و منیزیم است و یا جهت مصرف آب در بخشهای پزشکی و یا صنایع الکترونیک حذف همه ناخالصی ها از آن الزامی است. 

1-2 مفهوم آب سخت و آب نرم. آبی که املاح کلسیم و منیزم درآن وجود داشته باشد که معمولا" هم بصورت بیکربنات ویاکلرور بحالت محلول در آب دیده می شوند آب سخت «Hard water» نامیده می شود . سختی آب به دو دسته سختی دائم و سختی موقت تقسیم می شود . تمامی مقادیر سختی آب که در اثر جوشیدن کم شده ویا حذف می شود . سختی موقت نامیده می شود که به سختی کربناتی معروف است وشامل بیکربنات کلسیم وبی کربنات منیزیم می شود. آندسته از سختی آب که دراثر جوشیدن از بین نمی رود و در آب باقی می ماند به سختی دائم معروف است که آن راسختی غیر کربناتی هم می گویند و شامل سولفات های کلسیم و یامنیزیم یا آهن و کلرورهای کلسیم ، منیزیم یا آهن و نیتراتهای آنها میشود. به مجموع املاح کلسیم و منیزیم سختی کل می گویند «Total Hardness» . آب نرم به آبی گفته می شود که مقدار املاح محلول کلسیم و منیزیم در آن کم و یا حذف شده باشد. 

2-2 شیمی آب . شکل شیمیائی آب دارای فرمول H2O است. دو اتم هیدروژن بعلت نحوه قرار گرفتن آنها نسبت به یکدیگر آب را به بهترین حلال تبدیل کرده است که می تواند بیشتر نمکها و تعدادی از مواد آلی را در خود حل کند. در آنالیز آب هدف تعیین حدود مقدار مواد و املاح در نمونه آب است. معمولا" نتایج آنالیز آب را بر حسب P.P.M (Part per million) یعنی یک قسم در میلیون گزارش می کنند. اگر هرPPM معادل یک میلی گرم در یک میلیون میلی گرم باشد از آنجا که در مورد آب وزن مخصوص یک می باشد پس هر PPM  معادل یک میلیگرم در لیتراست.

1mg =1ppm                1 lit = 1000 ml           1ml = 1gr=1000 mg

در آنالیز آب تنها می توان یونها را اندازه گیری نمود مانند Ca++ وmg++ که طبق جدول شماره 2 می توان آن را به اشکال مختلف نشان داد اما برای سهولت بیان و سادگی محاسبات در تجزیه و گزارش آنالیز آب کلیه یونها را برحسب کربنات کلسیم «CaCo3» می نویسند.

1. تصفیه و بهسازی آب دیگ بخار. با توجه به آنچه در مقدمه و بند 2 گفته شد عمده ترین مشکلاتی که در روند تولید بخار به علت ناخالصی های آب ایجاد می شود عبارت است از: تولید رسوب و خوردگی که برای رفع این مشکلات باید ابتدا آنها را شناخت تا بتوان به سادگی آنها را حل کرد.

1-3 تولید رسوب . نمکهای کلسیم و منیزیم محلول در آب دیگهای بخار، موقعی که آب تبخیرمی شود بصورت رسوب روی سطح لوله ها ته نشین می گردند.

Ca (Hco3)2                            Caco3      + co2 +H2o

Mg (Hco3)2                          Mg (oH2)  + co2 + H2o

روند رسوبات کربناته و هیدراته آنقدر در دیگ سریع اتفاق می افتد که پس از مدت کوتاهی تمامی سطح لوله ها را پوسانده و موجب کاهش انتقال حرارت و افزایش حرارت سطحی در روی فلز سطوح لوله و قسمتهای مختلف دیگ می گردد. برای جلوگیری از پدیده رسوب:

• املاح کلسیم و منیزیم را قبل از ورود به دیگ بخار، از آب خارج می سازیم 
• باافزودن مواد شیمیائی ضد رسوب، مانع تشکیل رسوب شده، نمکهای محلول در آب دیگ را به لجن نرم تبدیل وبا زیرآب زنی ازآن خارج می سازیم.

1-1-3 سختی گیری (نرم سازی) آب تغدیه دیگ: در تاسیسات تولید بخار کارخانه تکاب جهت نرم سازی آب دیگ از دستگاههای سختی گیر سدیمی استفاده می شود. از نظر شیمیائی روش سختی گیری بصورت رابطه زیر نشان داده می شود

رزین کاتیونی سدیمی 

2RNa+Ca (HCo3)2                 R.Ca+2NaHCo3

و از آنجا که رزین کاتیونی سدیمی دارای مقدار معینی سدیم جهت مبادله کردن است که معادل ظرفیت رزین است پس از مدتی رزین اشباع شده و نیاز به احیاء سازی با محلول کلرور سدیم (آب نمک اشباع) دارد که بصورت زیر نشان داده می شود

R-Ca+2Nacl               2RNa+Cacl2

ظرفیت رزین های کاتیونی سدیمی بطورمعمول حدود 000ر30گرین بر فوت مکعب یا 1060 گرین بر لیتر است. که با محاسبه مقدار سختی کل آب خام، می توان ظرفیت دستگاههای سختی گیر را تعیین وحجم آب نرم تولید شده بوسیله آن را محاسبه نمود.

2-1-3 بهسازی با ترکیبات فسفات. در گذشته برای جلوگیری از ایجاد رسوب از موادی مانند آرد سیب زمینی ملاس چغندر قند و مواد شیمیایی دیگر مانند کربنات سدیم استفاده می شد. اما درحال حاضر برای تعلیق رسوبات از ترکیبات مختلف فسفات استفاده می شود. ترکیبات فسفات، چنانچه در آب نمکهای کلسیم و منیزیم وجود داشته باشد بصورت زیر فعل وانفعال انجام می دهد. 

2Na3Po4+3CaSo4                3Na2So4 + Ca3 (Po4)2

2Na3Po4+ 3MgSo4               3Na2So4 +Mg3 (Po4)2

با توجه به اینکه محلول های تری سدیم فسفات و دی سدیم هیدروژن فسفات قلیائی می باشند و چنانچه قلیائیت آب در نتیجه مصرف این مواد افزوده شود خطر احتمالی شکنندگی کریستالی بوجود می آید. 

Na3Po4+2H2O                   2NaoH+NaH2Po4

مقدار افزایش با توجه به فشار کار دیگ باید کاملا" تحت کنترل دقیق بوده وگاه نیز برای جلوگیری از بروز این خطر بایستی به سیستم سدیم متافسفات و سدیم دی هیدروژن فسفات اضافه شود.

NaH2Po4+2NaoH                  Na3Po4+2H2o

(NaPo4+2NaoH)                   Na3Po4+H2o

از اینرو از بین نمکهای فسفات ، سدیم متافسفات علاوه بر کنترل قلیائیت سیستم ، دارای خاصیت جلوگیری از تشکیل رسوب کلسیم و منیزیم نیز می باشد. 

2-3خوردگی : هرگاه آب دیگ بخار حاوی عوامل خورنده ( اسید – قلیا ) یا گازهای محلول ( اکسیژن ، انیدرید کربنیک ) باشد دیگهای بخار ، لوله های انتقال آب کندانس ، انتقال بخار و حتی تاسیسات جنبی دیگ در معرض خوردگی قرار میگیرند. انیدرید کربنیک در آب بصورت زیر مانند یک اسید عمل می کند. 

Co2 + H2o                         H2co3

و در اثر دیسوسیه شدن این اسید یون ئیدروژن ( H+ ) آزاد می کند که باعث پایین آمدن PH آب و دادن حالت اسیدی به آن می شود. 

هنگامی که آبی بیکربنات داشته باشد در اثر حرارت ودر نقطه جوش بی کربنات به کربنات تبدیل و Co2 آزاد می گردد

2 Hco-3                    Co- -3 + Co2 + H2o

تمام CO2 آزاد شده از این واکنشها به کمک بخار به نقاط مختلف سیستم حمل و در خاتمه در آب کندانس به حالت محلول در آمده PH آنرا پائین میآورد و به کندانس حالت خورندگی می دهد. 

برای جلوگیری از خوردگی باید: 

• آب اسید دار را با مصرف مواد قلیائی خنثی نمود. 
• از افزایش یون OH آزاد در سیستم جلوگیری نمود.
• گازهای محلول را از طریق گاززدایی و افزایش مواد ضداکسیژن بی اثر ساخت 
• با افزایش مواد ضدخورنده همراه با ترکیبات آلی ، سطح محافظتی در سیستم بوجود آورد. 

1-2-3 کنترل PH : حلالیت و خورده شدن آهن در آب وقتی افزایش می یابد که PH آب از حد خنثی یعنی 7 پایین تر رود. حمله آب بر روی سطوح فولادی وقتی که PH آن اسیدی است کاملا" طبیعی است . بنابراین آب تغذیه دیگ که معمولا" مخلوطی است از آب نرم و آب کندانس بایستی PH بالای 7 و طبق گفته بیشتر سازندگان دیگ های بخار و مراجع معتبر در محدوده 5/9-5/8 قرار داشته باشد و در این صورت آب درون دیگ درارای PH در محدوده 5/10 خواهد بود. 

2-2-3 کنترل قلیائیت : قلیائیت آب ناشی از وجود یون های OH ، HCO3 و یا CO3 می باشد و در صورت مصرف بی رویه هیدروکسید سدیم ( NaoH) و یا فسفات تری سدیک ( Na3Po4 ) یون OH سبب قلیائیت است . همچنین وقتی کربنات و بی کربنات وارد دیگ شوند در نتیجه حرارت تجزیه میشوند. 

2NaHco3                            Na2Co3 + Co2 + H2o

که آن نیز در نتیجه ادامه فعل و انفعال هیدروکسید سدیم تولید می کند. 

NaCo3 + H2o                      2 NaoH + Co2

گازهای Co2 تولید شده وقتی بخار در نتیجه سرد شدن تبدیل به آب گردد در آن حل شده اسید کربنیک خورنده تولید می کند 

Co2 + H2o                           H2co3 +H+ + Hco-3

مقدار Co2 تولید شده نسبت مستقیم با قلیائیت دارد. مقدار انیدرید کربنیکی که از تجزیه بی کربنات ساخته میشود تقریبا" دو برابر مقداری است که از کربنات تولید میشود . زیرا همانطور که در فرمولهای 1و2 دیده میشود بی کربنات دوبار تجزیه و اندرید کربنیک تولید می کند . انیدرید کربنیک تولید شده بوسیله بهسازی تبخیری خنثی میشود تا PH کندانس به 5/9-5/8 برسد . برای حداقل نمودن تشکیل Co2 کم کردن قلیائیت آب لازم است تا از این طریق هزینه بهسازی آب کاهش یابد . در این خصوص برای بهسازی آب دیگ بخار و جلوگیری از افزایش قلیائیت و خطر شکنندگی شبکه کریستالی فلز مراجع فرمول زیر را برای اندازه گیری نسبت نیترات سدیم به هیدروکسید پیشنهاد میکنند.

=0/2

3-2-3 حذف گازهای محلول : اکسیژن محلول در دیگ بخار میتواند از طریق مسیر آب تامین ( Make-up ( و یا از سیستم کندانس وارد شود . در صورت وجود اکسیژن در آب دیگ ، خوردگی در خطوط انتقال آب کندانس ، مبدل ها و گرم کننده ها به وقوع می پیوندد . دما ، فشار و میزان اکسیژن محلول تعیین کننده شدت خوردگی است . جهت حذف گازهای محلول بخصوص اکسیژن و گاز کربنیک از آب تغذیه دیگ بخار به طریقه مکانیکی از دستگاههای هوازداد ( Deaerator ) استفاده میشود . دی اریتورها علاوه بر آن که کاملا" قادر به حذف اکسیژن آب نیستند باعث اتلاف مقادیری از بخار ( گاه تا 2% ) میشوند . دمای آب تانکهای تغذیه در دی اریتورها به نوع آنها مربوط میشود . در دی اریتور های نوع اتمسفر یک 95 تا 100 درجه سانتیگراد ذکر شده است . علاوه بر حذف اکسیژن بطریق مکانیکی ، افزایش مواد شیمیایی اکسیژن زدا جهت حصول اطمینان در دستور کار قرار دارد مهمترین مواد شیمیایی اکسیژن زدا سولفیت سدیم و هیدرازین است . سولفیت سدیم عمده ترین و ارزان ترین ماده شیمایی اکسیژن زدا است که بصورت زیر عمل می کند.

2Na2So3 + O2                    2 Na2So4

بطور نظری برای حذف هر میلی گرم اکسیژن 8/7 میلی گرم سولفیت سدیم بایستی به آب اضافه نمود . 

4-2-3 خوردگی سیستم آب کندانس : قبلا" نیز درباره خورندگی اکسیژن و گاز کربنیک گفته شد که چنانچه به کمک دی اریتور حرارتی از آب خارج نگردند و یا دمای آب کندانس به زیر 100 درجه برسد چگونه سبب خورندگی میشوند. چنانچه آب کندانس خیلی خالص بوده و کنداکتیوتیه پائین داشته باشد این خطر کمتر خواهد بود. 

در اینجا برای افزایش PH آب کندانس از آمونیاک استفاده میشود . آمونیاک در دیگ بخار به حالت گاز فرار درآمده و به آسانی در کندانس حل میشود و در برگشت به دی اریتور از مجاری خروجی بخار ( ونت ) همراه سایر گازها و بخار به خارج رفته و به هدر میرود. و برخلاف NaoH میل ترکیبی چندانی هم با Co2 ندارد. آمونیاک براحتی اکسید مس را در خود حل می کند و چون فلز مس تحت تاثیر اکسیژن و در تماس با آمونیاک در آن حل میشود بنابراین آمونیاک بر روی آن حالت خورندگی دارد و لذا بایستی افزایش آن با کنترل و مراقبت دائمی صورت بگیرد و هیچگاه باقی مانده آن در آب دیگ از 1mg/l بیشتر نشود. 

1. جداول استاندارد اروپایی 

جدول استاندارد پیشنهادی آنالیز آب تغذیه و آب کندانس و آب دیگ بخار توسط سازندگان اروپایی 

1. شرکت سوئدی

1. شرکت آلمانی