CALCOLO DI UN IMPIANTO DI DEMINERALIZZAZIONE A SCAMBIO IONICO AL SERVIZIO DI UN PROCESSO INDUSTRIALE

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1 CALCOLO DI UN IMPIANTO DI DEMINERALIZZAZIONE A SCAMBIO IONICO AL SERVIZIO DI UN PROCESSO INDUSTRIALE Si chiede di calcolare: - Il volume delle resine scambiatrici di ioni - Il diametro e l altezza delle colonne scambiatrici - Il consumo dei reattivi di rigenerazione - Il consumo di acqua - La produzione di eluati di rigenerazione 1- DATI DI PROGETTO Produzione di acqua demineralizzata: 40 m 3 /d Fonte: Acqua di rete Utilizzo dell acqua demineralizzata: 8 ore/giorno Qualità dell acqua da trattare: - Salinità totale (residuo 180 C): 364 mg/l - Conducibilità elettrica specifica: 540 µs/cm - Composizione chimica, come dal seguente diagramma di Hale: 2,6 4,8 5,6 meq/l Mg ++ Ca ++ Na + K+ HCO 3 - Cl - SO ,8 3,5 5,6 meq/l Obiettivo di qualità dell acqua demineralizzata: meno di 20 µs/cm 2- DIMENSIONAMENTO Schema di processo In ragione della scarsa presenza di bicarbonato si prevede uno schema basato su: 1

2 - Colonna a scambio ionico, cationica forte; - Colonna a scambio ionico, anionica forte; Senza quindi prevedere uno stadio intermedio di decarbonatazione (stripping CO 2 ). Il processo previsto è in grado di realizzare l obiettivo di qualità prefissato, senza necessità di colonne di finitura a letto misto. Schema di processo: Acqua di rete HCl 30% NaOH 50% R-OH V 1 All utilizzo P 1 V 2 Allo smaltimento P 2 R-H - Resina cationica forte R-OH - Resina anionica forte V 1 - Serbatoio accumulo acqua demineralizzata V 2 - Serbatoio accumulo eluati di rigenerazione P1 e P2 Pompe di rilancio 2

3 Definizione del ciclo operativo Si prevede di esercire l impianto con un ciclo operativo di 8 ore/giorno, su una singola linea di trattamento e di eseguire successivamente la fase rigenerativa. Il tutto con processo completamente automatizzato. Calcolo delle colonne a scambio ionico Scelta del tipo di resina cationica Si sceglie una resina cationica forte con gruppo radicalico solfonico (R-SO 3 H) avente la capacità di scambio come da grafico: Capacità di scambio (g CaCO 3 /litro resina) Livello rigenerativo (g HCl 100% / litro resina) Si sceglie: - un livello rigenerativo di 125 g HCl 100% / litro resina - una corrispondente capacità di scambio di 80 g CaCO 3 /litro resina Scelta del tipo di resina anionica Si sceglie una resina anionica forte con gruppo radicalico ammonico quaternario (R- N(CH 3 ) 3 OH) avente la capacità di scambio come da grafico: Capacità di scambio (g CaCO 3 /litro resina) Livello rigenerativo 3 (g NaOH 100% / litro resina)

4 Si sceglie: - un livello rigenerativo di 115 g NaOH 100% / litro resina - una corrispondente capacità di scambio di 35 g CaCO 3 /litro resina Calcolo dei volumi di resina V C i V a = (litri) Volume di resina anionica CS a (V + αva) C i V c = (litri) CSc Volume di resina cationica Ove al numeratore sono rappresentati i carichi ionici da scambiare (grammi di CaCO 3 o grammieq.) in un ciclo operativo e al denominatore sono rappresentate le capacità di scambio delle resine anionica e cationica (grammi CaCO 3 /litro resina oppure grammi-eq/litroresina). V = volume di acqua da trattare in un singolo ciclo operativo = 40 m 3 /ciclo Ci = concentrazione ionica da scambiare = 5,6 grammi-eq /m 3 = 5,6 x 50 = 280 g CaCO 3 /m 3 α = volume specifico di acqua decationizzata occorrente per il post-lavaggio della resina anionica = 10 litri acqua decationizzata/litro resina anionica (come da specifica della resina) Si ha pertanto: 40 (m 3 ) 280 (g CaCO 3 /m 3 acqua) V a = 35 g CaCO 3 /litro resina = 320 (litri resina anionica) ( ,32 ) (m 3 ) 280 (g CaCO 3 /m 3 acqua) V c = = 151 (litri resina cationica) 80 (g CaCO 3 /litro resina) 4

5 Verifica della portata specifica di esercizio Le specifiche di fornitura delle resine raccomandano il rispetto di un certo range della portata specifica di esercizio. Da essa dipende infatti il tempo di contatto e quindi l efficienza di scambio. Range raccomandati per le resine scelte: 5-50 litri acqua/h /litro di resina La verifica risulta positiva in quanto: - resina anionica: litri/h / 320 litri resina = 15,6 litri acqua/h /litro di resina - resina cationica: litri/h / 151 litri resina = 33,1 litri acqua/h /litro di resina Calcolo diametro e altezza colonne Si prevedono le seguenti altezze di strato di resina: - resina cationica: 1,0 m - resina anionica: 1,2 m Conseguentemente si calcolano i seguenti diametri e altezze utili di colonna (parte cilindrica): - resina cationica: 0,151 m 3 /1,0 m = 0,151 m 2 diametro 0,44 m - resina anionica: 0,320 m 3 /1,2 m = 0,27 m 2 diametro 0,58 m Dovendosi prevedere una fase di espansione (del 50%-70 %) in fase di controlavaggio, le colonne vengono dimensionate di altezza pari a h = 2,0 m (parte cilindrica) Calcolo consumo reagenti/ciclo - Consumo HCl 100%: 125 g /litro resina cat. 151 litri resina cat. = g HCl /ciclo - Consumo NaOH 100%: 115 g /litro resina an. 320 litri resina an. = g NaOH/ciclo Calcolo del consumo di acqua /ciclo Oltre al consumo diretto di acqua per la produzione di acqua demineralizzata (40 m 3 /ciclo), si hanno consumi dovuti ai lavaggi-post operativi delle colonne e alla diluizione dei reagenti: - lavaggio in controcorrente (10 m 3 /h/m 2 per circa 15 min. ): 10 (0,151+0,27) m 2 0,25 h = 1,05 m 3 - lavaggio finale Ia + IIa fase post-rigenerazione (10 m 3 /m 3 resina ):10 (0,320+0,151) = 4,7 m 3 - diluizione reattivi (reattivi dosati sulle resine al 5% circa): diluizione HCl dal 30% al 5% = 0, /5-0, /30 = 0,36-0,05 = 0,31 m 3 diluizione NaOH dal 50% al 5% = 0, /5 0, /50 = 0,70-0,036 = 0,66 m Consumo di acqua : 6,7 m 3 /ciclo operativo Produzione eluato/ciclo La produzione di eluato è determinata dalle fasi di rigenerazione e di lavaggio post-rigenerazione: -rigenerazione:0,31 100/95 m 3 + 0,66 100/95 m 3 = 0,33+0,69= 1,02 m 3 -lavaggio post-rigenerazione = 4,7 m Produzione totale eluati/ciclo = 5,72 m 3 /ciclo 5

6 Quadro riepilogativo del dimensionamento Nella Tabella che segue sono riepilogati i risultati del dimensionamento effettuato: Quadro riepilogativo del dimensionamento VOCE Dati di progetto: Produzione giornaliera di acqua demineralizzata Utilizzo acqua demineralizzata: Fonte: Qualità acqua di rete DATI 40 m 3 /d 8 h/d acqua di rete Conc. ionica totale = 5,6 meq/litro (280 mg/l CaCO 3 ) Conducibilità elettrica specifica =540 µs/cm Residuo 180 C = 364 mg/l Obiettivo demineralizzazione Resina cationica forte Volume resina Diametro Altezza resina Altezza colonna (parte cilindrica) Resina anionica forte Volume resina Diametro Altezza resina Altezza colonna (parte cilindrica) Consumo reattivi HCl 100% NaOH 100% Produzione eluati Conducibilità elettrica specifica < 20µS/cm 151 litri 0,44 m 1,0 m 2,0 m 320 litri 0,58 m 1,2 m 2,0 m 18,875 Kg/ciclo 36,8 Kg/ciclo 5,72 m 3 /ciclo 6