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Giuseppe Langella » 16.Degasaggio e demineralizzazione


Degasaggio

Il degasaggio è un processo fisico o chimico attraverso il quale vengono eliminati i gas e gli incondensabili presenti nel vapore condensato. Per estrarre dall’acqua i gas presenti è necessario che il degasatore svolga i seguenti compiti:

  • riscaldare  tutta la massa di liquido condensato per mezzo di vapore, in modo da diminuire la solubilità dei gas
  • frazionare ed agitare l’acqua, cioè dividerla in goccioline sufficientemente piccole in modo da favorire la separazione dei gas
  • diminuire il più possibile le pressioni parziali dei gas presenti, in modo che l’acqua , in condizioni di saturazione non riesca a trattenere i gas disciolti  (per questo l’insieme di riscaldatore-degasatore è concepito in modo che la temperatura di uscita dell’acqua sia il più possibile vicina alla temperatura di saturazione del vapore di riscaldamento)
  • scaricare in atmosfera gli incondensabili attraverso uno sfiato posizionato  sulla parte alta del degasatore.

La torre degasante è disposta sopra il serbatoio ed è suddivisa all’interno in varie zone, nelle quali l’acqua viene riscaldata, frazionata e degasata. Il condensato viene immesso nella parte superiore della torretta attraverso un sistema di ugelli spruzzatori, che lo frazionano in gocce minute e lo distribuiscono uniformemente sul piatto più alto. In questa zona confluiscono i gas liberati nelle zone sottostanti, unitamente al vapore che, in funzionamento normale è prelevato da uno spillamento di turbina, mentre in avviamento è derivato dal collettore del vapore ausiliario.

Degasaggio

L’acqua immassa nel degasatore, a contatto con il vapore, ne abbassa la temperatura fino a quella di condensazione alla pressione esistente nel degasatore. In tal guisa si condensa la maggior parte del vapore e quindi solo una piccola percentuale di esso viene scaricata all’atmosfera insieme ai gas. Nella parte inferiore della zona di riscaldamento, grazie all’elevato coefficiente di trasmissione tra vapore condensante e acqua, la temperatura di quest’ultima raggiunge un valore assai prossimo a quello della temperatura di saturazione.

L’acqua, dopo essere passata nella zona di riscaldamento, cade  su un insieme di piatti forati, dai quali scende come pioggia; il vapore sale dal basso fluendo alternativamente verso il centro e verso la periferia dell’apparecchio, quindi sempre in direzione perpendicolare al flusso dell’acqua. Il frazionamento meccanico dell’acqua, nel rimbalzare da un piatto all’altro, unito all’effetto dinamico e termico del vapore, assicura l’eliminazione della maggior parte degli incondensabili.

Attraverso i tubi di raccolta l’acqua degasata discende poi nel serbatoio inferiore del degasatore, da dove viene convogliata all’aspirazione delle pompe alimento.

Demineralizzazione

L’acqua prodotta dall’impianto di demineralizzazione è acqua pura dalla quale sono stati eliminati sia i gas disciolti sia le sostanze in soluzione e in sospensione; tuttavia, quando questa si trova a circolare nelle apparecchiature del ciclo termico, è soggetta ad una serie di trattamenti e di condizionamenti se si vuole mantenerla in condizioni tali da evitare, o almeno limitare, i fenomeni corrosivi e la formazione di depositi incrostanti nelle varie parti dell’impianto.

Occorre ad esempio mantenere un valore di pH ottimale (per evitare le corrosioni del ferro e/o del rame), garantire l’eliminazione dei gas disciolti, assicurare una certa alcalinità del vapore all’ammissione utilizzando sostanze (NH3, N2H4) che possano ripartirsi in fase vapore senza trascinamenti o sostanze disciolte. Per fissare i criteri in base ai quali decidere i trattamenti e i cont  rolli da adottare, è necessario passare in rassegna le sostanze che possono inquinare l’acqua del ciclo.

Sali disciolti generici

Sali disciolti generici (solfati cloruri e carbonati)

Possono provenire da perdite al condensatore, oppure da cattivo funzionamento dell’impianto di demineralizzazione. I sali disciolti nell’acqua alimento possono depositarsi in caldaia sotto forma di incrostazioni oppure essere trascinati dal vapore. Le incrostazioni si formano quando per il sale disciolto viene superato il limite di solubilità a seguito della concentrazione della soluzione; si formano anche per variazione della temperatura, a cui la solubilità è legata, oppure per l’influenza di altre sostanze presenti in soluzione.

Le condizioni di precipitazione sono strettamente connesse con il fenomeno dell’evaporazione sulle superfici di scambio termico e variano da caldaia a caldaia. Le incrostazioni in caldaia sono dannose perché riducono notevolmente il coefficiente di trasmissione del calore: ne deriva un sensibile aumento della temperatura dei tubi, con conseguenti surriscaldamenti locali, seguiti da rotture e scoppi.

In turbina la solubilità dei sali disciolti nel vapore diminuisce man mano questo si espande; corrispondentemente le sostanze trascinate si depositano sui distributori e sulle giranti, provocando una diminuzione di rendimento della macchina.

Sali disciolti generici

Come norma di esercizio occorre quindi che il ciclo termico sia il più possibile esente da sali disciolti: ciò dovrà essere controllato misurando la conducibilità in vari punti del ciclo termico (condensato all’uscita del condensatore, condensato all’ingresso del degasatore, acqua alimento, drenaggi di alta pressione, vapore surriscaldato e risurriscaldato). Queste misure di conducibilità possono essere effettuate sul campione tal quale (convenientemente raffreddato a 25°C) o dopo che questo ha attraversato una colonnina contenente resina cationica (misura della conducibilità acida).

La misura della conducibilità acida permette il conseguimento di due scopi fondamentali:

  1.  elimina dalla misura l’influenza dell’ammoniaca e dell’idrazina (che a valle della colonninasi trasformano in acqua)
  2.  esalta la presenza di sali disciolti o dissociati.

Infatti, anziché misurare la conducibilità dei sali, si viene a misurare la conducibilità degli acidi corrispondenti, che è notevolmente superiore. La misura della conducibilità acida funziona quindi da amplificatore chimico.

Ferro disciolto

Il ferro è presente nell’acqua alimento sotto tre forme:

a) in forma solubile, come ossido o come idrato, derivante dal processo di corrosione umida
b) in forma colloidale, come miscela di ossidi più o meno idrati in aggiunta ad altre sostanzepresenti in forma colloidale
c) in forma di sospensione solida, come ossido o miscela di ossidi (principalmente Fe2O3).

Il ferro, sia esso solubile o sospeso, deriva principalmente, oltre che dalla caldaia, anche dal ciclocondensato-alimento e in particolare da condensatore, degasatore, riscaldatori di bassa e alta pressione, flash-tank, recupero drenaggi, ecc. In caldaia il ferro si deposita sotto forma di miscele di ossidi. Infatti, oltre a quello già presente (che deriva dalla reazione metallo-acqua), anche il ferro di apporto subisce una serie di trasformazioni (ossidazioni e disidratazione) con formazione finale di ossidi insolubili. Un aumento irregolare di ossidi di ferro in caldaia comporta un peggioramento nella trasmissione del calore e successivamente un pericolo di corrosioni, poiché la magnetite si frattura e la reazione ferro+acqua prosegue velocemente.

Ferro disciolto

Nelle caldaie di tipo UP si verifica  il grave fenomeno dei depositi nelle valvole regolatrici di flusso dei pannelli dei tubi bollitori: tali depositi possono provocare aumenti delle perdite di carico e quindi scarsa circolazione e surriscaldamento nei pannelli di caldaia poco alimentati.

Il ferro in sospensione, specie per le caldaie ad attraversamento forzato, può essere trascinato nel vapore e depositarsi successivamente nel surriscaldatore e nella turbina di alta pressione. Occorre quindi mantenere, con tutti i mezzi a disposizione (pH, buona conservazione in fermata, eliminazione dell’ossigeno, uso adeguato degli impianti chimici), il ferro totale nell’acqua alimento ai valori più bassi possibili: i limiti suggeriti sono quelli di 10 e 20 ppb, rispettivamente per le caldaie ad attraversamento forzato e quelle a corpo cilindrico.

In esercizio normale, qualora il ferro superi tali limiti, occorre inserire il trattamento del condensato (prefiltri e letti misti). In avviamento dopo fermata occorre aspettare che il ferro discenda al di sotto di certi limiti (100 ppb per le caldaie UP) prima di accendere i bruciatori; in questo caso si ricircola sul circuito di avviamento con tutto il sistema di trattamento del condensato inserito.

Rame disciolto

Il rame nel ciclo termico proviene principalmente dal condensatore, se questo è costituito da tubi di ottone (leghe rame-zinco) o cupronichel (leghe rame-nichel). Se i riscaldatori di alta e bassa pressione sono costituiti da tubi in leghe di rame (monelcupronichel), anche questi possono contribuire a far aumentare il tenore di rame nel ciclo. La corrosione del rame del condensatore avviene principalmente per l’azione combinata dell’ammoniaca e dell’ossigeno. Al crescere del tenore di ossigeno diminuisce il valore di ammoniaca a cui inizia l’attacco.

Per effetto dell’ossigeno il rame metallico viene ossidato e trasformato in ossido rameoso (CuO). Quest’ultimo reagisce con l’idrato d’ammonio formando un complesso ionico cuproammoniacale chiamato cuprotetrammina:

3 CuO + 12NH4OH →3Cu(NH3)4(OH)2 + 9H2O

poco dissociato e che non può essere determinato con misure di conducibilità.

Per evitare quindi la presenza di rame, occorre non superare un certo quantitativo di ammoniacanell’acqua del ciclo (700 ppb, cioè pH 9,3).

Rame disciolto

Il rame in caldaia, depositatosi sotto forma di ossido, può provocare corrosioni dovute a surriscaldamento, oppure depositandosi sotto forma di rame metallico può dar luogo a gravi corrosioni di natura elettrochimica. In quest’ultimo caso la corrosione risultante è di tipo galvanico e il ferro può passare in soluzione secondo la reazione:

2 Cu+ + Fe →Fe++ + 2 Cu

In turbina si trovano pure depositi di Cu2O e CuO sulle palette di alta pressione.

Recenti studi hanno dimostrato che la solubilità del rame e dei suoi ossidi nel vapore è apprezzabile e cresce con la pressione; in base a questi studi gli ossidi di rame dovrebbero saturarsi nello stadio ad azione della turbina. In realtà solo una piccola parte cristallizza sugli ugelli e sulle palette ad azione, formando depositi duri e resistenti; il resto viene trascinato via e può parzialmente depositarsi nel risurriscaldatore o finire nel condensato. I metodi per trattenere il rame sono gli stessi impiegati per il ferro: utilizzo dei prefiltri, letti misti, filtri Powdex.

Il rame nell’acqua alimento dovrebbe essere normalmente assente.

Silice disciolta

La silice (SiO2) è presente nell’acqua alimento sotto due forme: a) solubile, come H4SiO4 (acido ortosilicico), solo parzialmente dissociata e quindi non rilevabile ai fini della conducibilità; b) colloidale, come silice idrata (SiO2.H2O) in aggiunta ad altre sostanze colloidali.

La silice è solubile sia nell’acqua di caldaia che nel vapore.Essa proviene principalmente dall’acqua di integrazione, derivando dalla fuga di silice dalla resina anionica dell’impianto di demineralizzazione. In caldaia la presenza di altri elementi quali il sodio, il magnesio, l’alluminio, il ferro, favoriscono la formazione di silicati complessi che abbassano notevolmente il limite di solubilità nell’acqua: si possono così avere depositi di silicati insolubili.

La conducibilità termica di questi depositi è di gran lunga inferiore a quella dell’acciaio, per cui vengono esaltati i fenomeni e i pericoli, già visti, a proposito delle incrostazioni da sali. Normalmente però i depositi di silice si rilevano in turbina. La formazione di depositi silicei duri e vetrosi sulla superficie delle palette avviene quando temperatura e pressione diminuiscono e la tensione di vapore della silice si abbassa al di sotto del valore corrispondente al suo tenore nel vapore.

Silice disciolta

La silice (SiO2) è presente nell’acqua alimento sotto due forme: a) solubile, come H4SiO4 (acido ortosilicico), solo parzialmente dissociata e quindi non rilevabile ai fini della conducibilità; b) colloidale, come silice idrata (SiO2.H2O) in aggiunta ad altre sostanze colloidali.

La silice è solubile sia nell’acqua di caldaia che nel vapore. Essa proviene principalmente dall’acqua di integrazione, derivando dalla fuga di silice dalla resina anionica dell’impianto di demineralizzazione. In caldaia la presenza di altri elementi quali il sodio, il magnesio, l’alluminio, il ferro, favoriscono la formazione di silicati complessi che abbassano notevolmente il limite di solubilità nell’acqua: si possono così avere depositi di silicati insolubili.

La conducibilità termica di questi depositi è di gran lunga inferiore a quella dell’acciaio, per cui vengono esaltati i fenomeni e i pericoli, già visti, a proposito delle incrostazioni da sali. Normalmente però i depositi di silice si rilevano in turbina. La formazione di depositi silicei duri e vetrosi sulla superficie delle palette avviene quando temperatura e pressione diminuiscono e la tensione di vapore della silice si abbassa al di sotto del valore corrispondente al suo tenore nel vapore.

Trattamento con ammoniaca e idrazina

Il condizionamento dell’acqua del ciclo, imposto dal funzionamento ad alta pressione dei generatori di vapore, viene effettuato con l’impiego di idrato d’ammonio NH4OH, dosato al fine di ottenere un pH di 9÷9,2 in presenza di scambiatori con fasci tubieri in leghe di ferro o di rame.

Nei cicli ove i componenti metallici sono costituiti esclusivamente da leghe di ferro, si considera solo il valore di corrosione del ferro che comporta l’adozione di un pH compreso tra 9,5 e 9,7. L’influenza dell’ammoniaca nel mantenimento del pH è dovuta alla reazione di dissociazione con rilascio di ioni OH-:

NH4OH = NH4++ OH

Lafunzione alcalizzante è esplicata anche dall’idrazina.L’idrato di idrazina è infatti una sostanza basica, debolmente dissociata:

N2H5OH = N2H5++ OH

L’effetto alcalizzante è però dovuto al fatto che l’idrazina si decompone, già a partire da 100°C, in azoto e ammoniaca secondo la reazione: 3N2H4 4NH3 + N2

Trattamento con ammoniaca e idrazina

Inoltre l’idrazina è un deossigenante chimico, secondo la reazione: N2H4 + O2 N2 + 2H2O

Tale reazione comincia ad avvenire fra 60°C e 80°C; a pH 9 e con temperatura superiore a 100°C essa è molto veloce e spostata a destra.

Infine l’idrazina è passivante perché favorisce la formazione di uno strato di magnetite Fe3O4 sottile e omogeneo e perfettamente aderente alle pareti interne dei tubi. L’iniezione di ammoniaca e idrazina per il condizionamento del ciclo è effettuata a mezzo di pompe volumetriche: i punti di iniezione sono generalmente all’uscita dei letti misti dell’impianto di trattamento del condensato e all’aspirazione delle pompe alimento.

Nei periodi di fermata dell’impianto, in funzione della sua durata, si effettua una conservazione dei cicli condensato-alimento e della caldaia, aumentando la concentrazione di idrazina in caldaia e quindi la conducibilità totale.

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