Manuale WATER TREATMENT

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

ZEP Italia ED. LUGLIO 00 Volume 1 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 Acqua Superficiale (o di falda) Vapore 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 Falda FIG.01 Ciclo dell acqua 1

ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA 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 SALI DISCIOLTI GAS DISCIOLTI SOLIDI IN SOSPENSIONE PRESENZA DI MICROORGANISMI CARATTERISTICHE COSTANTI FALDA ++ + - +/- ++ FIUME + - ++ ++ -- LAGO + - + ++ - ACQUEDOTTO ++ + - - ++ PIOVANA - + - - ++ 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: ph o L acqua è limpida Acido Neutro Alcalino o L acqua è opalescente/torbida 0 14 o L acqua è colorata; di che colore o Sono presenti particelle nell acqua 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 2

TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE 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 (H 2 O) il cloruro di sodio si scioglie: H 2 O NaCl 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/m 3 = 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 NaCl NaCl NaCl NaCl NaCl NaCl Cl - Cl - Cl - Na + Na + Na + Na + Cl - Cl - Cl - Na + 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 200 600 1000 1400 1800 2200 2600 3000 Conducibilità (µs / cm) FIG.03 FIG.04 3

ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA 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 formano il calcare Al+++ ione alluminio sono metalli, formano Fe++ ione ferroso idrossidi con OH- e Fe+++ ione ferrico sali con gli anioni OH- ossidrile forma acqua con lo ione idrogeno, e idrossidi con i metalli Cl- ione cloruro forma sali con i cationi HCO3- ione bicarbonato con la durezza(ca e Mg ) CO3-- ione carbonato ) formano il calcare SO4-- ione solfato NO3- ione nitrato formano sali con i cationi PO4--- 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 CO 2 Ossigeno O 2 Queste due molecole hanno un elevata importanza nella chimica dell acqua in quanto influenzano direttamente i processi di incrostazione e di corrosione. 4

TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE Riassumiamo di seguito nella tabella seguente i parametri più importanti PARAMETRO SISTEMA DI MISURA S I G N I F I C A T O Conducibilità ph Durezza µs/cm Conduttivimetro phmetro / o cartine al tornasole Gradi Francesi oppure Ca CO 3-1 F=10 ppm Ca CO 3 con Kit Colorimetrico Alcalinità ppm CaCo 3 con Kit Colorimetrico Ferro Silice ppm Fe con Kit Colorimetrico ppm SiO 2 con Kit Colorimetrico 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 (HCO 3 ), Carbonati (CO 3 ) 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. Ossigeno ppm O 2 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. CO 2 ppm CO 2 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. Sostanze Organiche ppm Sono presenti specialmente nelle acque superficiali (fiume e lago), possono causare schiuma in caldaia. Possono essere eliminati tramite filtrazione. Microrganismi colonie/ml 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 5

ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA 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 CaCO 3 ) acqua media tra 11 e 20 F (110-200 ppm CaCO 3 ) acqua dura tra 21 e 35 F (210-300 ppm CaCO 3 ) acqua durissima tra 35 e 50 F (350-500 ppm CaCO 3 ) La presenza di durezza (Ca e Mg) associata all alcalinità provoca le incrostazioni. Aumento del consumo di energia dovuto alle incrostazioni FIG.06 % 50 40 30 20 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Spessore deposito (mm) 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. 6

TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE 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 Cristalli di Carbonato di Calcio FIG.09 Cristalli di Carbonato di Calcio modificati 7

ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA 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. - Reazione di riduzione : 1/2 O 2 + H2 O + 2 e 2 O H 2+ - R eazione di ossidazione: Fe Fe + 2 e O 2 O H O 2 O H ossido di ferro - 2+ - - e Fe Fe + 2 e e catodo anodo catodo 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 8

TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE 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. 9

ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA 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 nessuno se un tubo si corrode e si può bucare o consumare in 100 anni. È invece importante che la corrosione sia sotto controllo affinché la vita del macchinario possa dipendere da altri variabili che non siano la corrosione.il parametro di misura internazionale è: MPY (millesimi di pollici per anno) [0,025 mm/anno] 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 Valori di corrosione < 5 MPY (<0,125 mm/anno) sono considerati accettabili. Valori di corrosione >5 MPY sono considerati pericolosi. 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. 10

TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE 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. 11

ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA 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 ACQUA RICIRCOLO Durezza <15 F(si raccomanda acqua <15 F addolcita o demineralizzata) ph 8,5 < ph < 11.5 Ferro < 0,3 ppm < 0,5 ppm Condizionante chimico Nel dosaggio accomandato dal fornitore. 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 TEMPERATURA DI CONTENUTO DI CALORIE EBOLLIZIONE [Kg/cm3 (atm)] [ C] [Kcal/Kg] DEL LIQUIDO DEL VAPORE 0,1 46,4 45,4 615,9 1 99,1 99,1 639 2 119,6 119,9 646,9 4 142,9 143,7 654,9 6 158,1 159,4 659,3 8 169,6 171,4 662,3 10 179 181,3 664,4 12 187,1 189,8 665,9 14 194,1 197,3 667 16 204 204 667,8 18 206,2 210,1 668,3 20 211,4 215,8 668,7 24 220,8 226 669 28 229 235 668,8 32 236,4 243,1 668,3 36 243,1 350,1 667,6 40 249,2 257,4 666,6 44 254,9 263,9 665,5 48 260,2 269,8 664,1 60 274,3 286,1 659,5 80 293,6 308,8 650,6 100 309,5 328,7 540,5 120 323,1 347,3 629,7 200 364,2 435,6 572,8 TAB.04 12 Nei sistemi più critici è possibile installare dei provini di corrosione per poter misurare la velocità di corrosione nel sistema.

TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE 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 CONDUCIBILITA TERMICA ACQUA 0,54 ALLUMINIO 178 FULIGGINE 0,06 T 1 T 2 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 (CaCO 3 ) 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 Q K A T1 T2 Q = K * A ( T1 - T2 ) S 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

ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA 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 [m 2 ]: l area di scambio tra la fiamma/fumi e l acqua. La potenzialità specifica [Kg/m 2 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. 14

TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE FIG.14 Tubi di fumo FIG.15 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 m 3 /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). 15

ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE FRONTE Schema caldaia a tubi di fumo TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA LATO 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 m 3 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.18 FIG.19 16

TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE POTERE CALORIFICO INFERIORE (Kcalorie) Gas Naturale 1 m 3 8.210 Gas di Città 1 m 3 4.220 Gas di Cokeria 1 m 3 4.220 Gas di Altoforno 1 m 3 890 CARBONE ESTERO: Anatracite 1 Kg 7.620 Litantrace 1 Kg 7.400 CARBONE NAZIONALE Sulcis Mercantile 1 Kg 5.330 Antracite 1 Kg 5.330 Combustibili Vegetali(legna e bassi prodotti) 1 Kg 2.520 Lignite xiloide (20% in H 2 O) 1 Kg 2.220 Coke da Gas 1 Kg 6.360 Coke Metallurgico 1 Kg 7.030 Petrolio Greggio 1 Kg 9.990 G.P.L. 1 Kg 10.920 Gas di Raffineria 1 Kg 11.920 Distillati Leggeri 1 Kg 10.430 Benzina Auto e Avio 1 Kg 10.500 Carboturbo 1 Kg 10.430 Kerosene 1 Kg 10.290 Gasolio 1 Kg 10.210 Olio Combustibile 1 Kg 9.760 Coke di Petrolio 1 Kg 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 Zep GENERATORE VAPORE ALIMENTO CALDAIA FIG.20 17

ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA 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 CaCO 3 ). 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

TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE ADDOLCITORE SCHEMA INGRESSO SALAMOIA DIFFUSORI ACQUA GREZZA EIETTORE PER DILUIZIONE SALAMOIA INGRESSO ACQUA USCITA ACQUA DISTRBUTORI SALAMOIA LETTO RESINE VALVOLE DI CONTROLLO FILTRI 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 a scambio ionico: RESINE INQUINATE 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 (HCO 3 CI, SO 4 ) con ioni OH (si usa soda caustica per la rigenerazione). Il prodotto finale e l acqua pura (H + + OH = H 2 O) 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. Na DA SALI FIG.24 DA SOSTANZE ORGANICHE ADDOLCITORE FASE DI ADDOLCIMENTO Ca Mg Ca Na Na Na Na Na Ca Mg 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 Resina cationica a ciclo sodico ADDOLCITORE FASE DI RIGENERAZIONE Mg Mg Ca Mg Na Na Na Na Na Na Ca Mg Ca 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 Goccia di acqua contenente salamoia Resina cationica esausta FIG.25 FIG.26 19 FIG.26

ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA Che cos è la degasazione? È un operazione che serve ad eliminare i gas presenti nell acqua, ed in particolare, l ossigeno (O 2 ) e l anidride carbonica (CO 2 ); 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

TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE 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) TIPO GENERATORE PRESSIONE DI ESERCIZIO DEI GENERATORI (bar) PARAMETRI UNITA DI MISURA ESTRATTO NORMA UNI - 7550 A TUBI DI FUMO O CORNOVAGLIA ACQUA SURRI- SCALDATA 15 25 20 40 Fre- Fre- Fre- Fre- Fre- Limite quen- Limite quen- Limite quen- Limite quen- Limite quen- za za za za za ACQUA DI ALIMENTO 7.5 T 7.5 T 7.5 T 8.5 T 8.5 T 9.5 S 9.5 S 9.5 S 9.3 9.3 ph da a Durezza Totale mg CaCO3/kg 5 T 5 T 5 T 5 T 0.5 T Ossigeno 7 g O2/kg 100 S 50 S 100 S 10 S Anidride Carbonica 7 g CO2/kg 200 S 200 S Libera Ferro 7 g Fe/kg 100 S 100 S 100 S 100 S/2 Rame 7 g Cu/kg 100 S 100 S 100 S 10 S/2 Sostanza Oleose mg/kg 3 T 1 T 1 T Sostanza Organiche 5 S 3 S ACQUA DEL GENERATORE ph da 9 T 9 T 9 T 9 T 9 T a 10 S 12 S 11.7 S 11.7 11 Alcalinità Totale mg CaCO3/kg 1000 T 750 T 750 T 300 T Durezza Totale mg CaCO3/kg 5 T 5 T 5 T Conduttività Totale 7 S/cm 2000 G 7000 G 6000 G 7000 G 6000 T STD mg/kg 1000 S 3500 S 3000 S 3500 S 2500 S Silice mg SiO2/kg 150 S 150 S 150 S 100 S 35 G Fosfati mg PO4/kg 30 S 30 S 30 S 30 S 10 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

ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA 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 REINTEGRO vasca di accumulo T1 acqua fredda ZEP POMPA DI RICIRCOLO SPURGO FIG.30 22

TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE 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 m3/h A superficie di scambio m2 U coefficiente di scambio termico cal/h/m2/ C T2-T1 salto termico C FLUIDO CALDO ACQUA FREDDA T1 DALLA TORRE ACQUA CALDA T2 ALLA TORRE FLUIDO RAFFREDDATO FIG.31 23

ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA 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: SCAMBIATORE Incrostazioni DI CALORE Corrosioni 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 TENDENZA DELL ACQUA ed in condizioni particolari IN C R O S T A N T E C O R R O S IV A Ir Fosfato di calcio 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 Composti del magnesio 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

TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE 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 O 2 - anidride carbonica CO 2 ), 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. FIG.36 TAB.07 SERIE GALVANICA PLATINO ORO ACCIAIO INOX 316 ACCIAIO INOX 304 TITANIO RAME BRONZO NICHEL STAGNO PIOMBO FERRO ACCIAIO AL CARBONIO ACCIAIO ZINCATO MAGNESIO 25

ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA 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) non sporigeni (flavo batterium, acaligenes, pseudomonas, achromobacter, aerobacter, mucoids) sporigeni (bacillum subtilis, bacillum cereus, bacillus meagatherium, bacillum mycoides) FUNGHI (aspergillus, penicillium, trichoderma, cladosporium, mucor) LIEVITI (monilia, oospora, torula, endomyces, rhodotorula) ALGHE (chroococcus, oscillatoria, chlorococcus, ulothrix, navicula, fragilaria) neri, granulari, crescono sotto i depositi gelatinosi, flocculati, mucosi, possono essere colorati gelatinosi, possono essere colorati scivolosi, coperti di peluria, normalmente incolori, a volte verdi mucosi, gommosi possono essere colorati o incolore sole o associate in forma di limo verdi o blu crescono soltanto in presenza di luce corrosione, sviluppo di gas fouling, sviluppo di gas, facilitano la crescita di batteri corrosivi fouling, facilitano la crescita di batteri corrosivi degradazione del legno, formazione di celle di corrosione, fouling formazione di celle di corrosione, fouling fouling, facilitano la crescita di batteri corrosivi TAB.08 26

TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE 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: EVAPORATO dalla portata di ricircolo, quindi da quanta acqua ricircola nella torre nell unita di T2 acqua calda tempo (Q) riempimento dal salto termico (T2 - T1) REINTEGRO ZEP vasca di accumulo POMPA DI RICIRCOLO SCAMBIATORE DI CALORE T1 acqua fredda SPURGO 27 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, raffreddandola. Ogni metro cubo (tonnellata) d acqua evaporata, smaltisce 560.000 Kilocalorie. 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. FIG.37 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 TAB.09 REINTEGRO R (m3 / h) EVAPORATO E (m3 / h) RICIRCOLO T2 T1 SPURGO S (m3 / h) FIG..38

ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA 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) 60 Evaporato=10m3/h 50 40 30 REINTEGRO SPURGO 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 il fattore di concentrazione sia rispettato Controllare parametri del trattamento (additivi ed analisi) FIG.40 28

TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE 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.. PARAMETRI Aspetto CARATTERISTICHE ACQUA RICIRCOLO Limpido ed incolore ph > 7,2 (8-9) Conducibilità < 5000 μs / cm Solidi Totali Disciolti < 3000 ppm Durezza Totale vedi grafico Durezza Calcica vedi grafico Alcalinità 600 ppm 1000 ppm se addolcita Cloruri 1000 ppm Silice 125 ppm rapportata alla concentrazione della durezza magnesiaca Ferro + Manganese 2,5 ppm 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. Parametri di controllo acqua di ricircolo 8,4 9,5 ph 300 500 alcalinità totale 100 800 durezza totale ALCALINITA M ( ppm CaCO3 ) 600 500 400 300 STABILIZZANTI ZEP campo di applicazione acqua di torre AREA CRITICA PER L INCROSTAZIONE AREA DI STABILITA cloruri stabilizzante ZEP (ppm) < 1000 50 200 200 100 AREA CRITICA PER LA CORROSIONE 100 200 300 400 500 600 700 800 900 DUREZZA TOTALE ( ppm CaCO3 ) FIG.41 FIG.42 29

ZEP Italia NOTTEE TTEECCNI ICCHEE TTRRAATTTTAAMEENTTO AACCQUAA 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 REINTEGRO riempimento torre vasca di accumulo Conducibilità Durezza Durezza Calcica Alcalinità totale Cloruri Ferro Conta batterica totale Tasso di corrosione ZEP POMPA DI RICIRCOLO SPURGO FIG.43 30