Xử lý nước cấp - Đề tài Nước cấp cho thiết bị làm lạnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN – ĐẠI HỌC QGHN KHOA MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ NƯỚC CẤP Đề tài: Nước cấp cho thiết bị làm lạnh Giáo viên hướng dẫn: PGS. TS Đồng Kim Loan TS. Phạm Thị Thúy Hoàng Minh Trang Nhóm 1: Nguyễn Việt Hoàng Nguyễn Quốc Hưng Hoàng Thị Thùy Mục lục I. Mở đầu ............................................................................................ 1 II. Nước cấp cho thiết bị làm lạnh ....................................................... 1 1. Ảnh hưởng của nước cấp đến mục đích sử dụng ......................... 1 1.1 Ăn mòn (gỉ) .............................................................................. 1 1.2 Cặn .......................................................................................... 2 1.3 Sự lắng đọng vi sinh vật .......................................................... 3 2. Yêu cầu chất lượng nước cấp ....................................................... 3 3. Các hệ thống nước làm lạnh ......................................................... 4 3.1 Hệ thống xả thẳng ................................................................... 5 3.2 Hệ thống tuần hoàn ................................................................ 5 III. Đề xuất các công nghệ xử lý ......................................................... 6 1. Hệ thống làm lạnh xả thẳng.......................................................... 8 1.1 Loại trừ cặn bám (chủ yếu là CaCO3): ..................................... 8 1.2 Ngăn ngừa lớp phủ sinh vật .................................................... 8 1.3 Ngăn ngừa quá trình gỉ ống và thiết bị làm lạnh ..................... 9 2. Hệ thống làm lạnh tuần hoàn ....................................................... 9 IV. Công nghệ thực tế áp dụng ........................................................ 10 V. Kết luận.......................................................................................... 12 VI. Tài liệu tham khảo ...................................................................... 12 1 I. Mở đầu Nước là tài nguyên vô giá. Tất cả các hoạt động của con người đều cần sử dụng đến nước. Nước được sử dụng vào rất nhiều hoạt động với mục đích khác nhau: nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt, giải trí... Để cung cấp nước sạch có thể khai thác từ nguồn nước thiên nhiên (thường gọi là nước thô) từ nước mặt, nước ngầm, nước biển. Theo tính chất của nước có thể phân ra: nước ngọt, nước mặn, nước lợ, nước chua phèn, nước khoáng và nước mưa. Mỗi loại nước cấp cho mục đích sử dụng khác nhau có yêu cầu về chất lượng khác nhau. Do đó, cần áp dụng các quy trình xử lý nước khác nhau cho các mục đích sử dụng nước khác nhau đó. Chất lượng nước cấp cho sản xuất đòi hỏi rất khác nhau, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của mỗi ngành công nghiệp có thể chia ra các loại như sau:  Nước cấp cho ngành công nghiệp thực phẩm, công nghiệp dệt, giấy, phim ảnh...yêu cầu chất lượng đạt được như nước ăn uống  Nước để làm nguội gần như là nhu cầu chung của rất nhiều ngành công nghiệp và chiếm một số lượng rất lớn (ví dụ: làm nguội các thiết bị hóa chất các lò đúc gang, thiết bị ngưng tụ của máy và tuabin hơi, thiết bị làm nguội không khí...), nước làm nguội yêu cầu hàm lượng cặn và độ cứng tạm thời nhỏ và nhiệt độ càng thấp càng tốt.  Nước cấp cho nồi hơi yêu cầu chất lượng cao. Nước không được có cặn, độ cứng toàn phần phải rất nhỏ. Ngoài ra phải hạn chế mức thấp nhất sự có mặt của các hợp chất axit silic (H2SiO3). Trong bài tiểu luận này, nhóm tập trung nghiên cứu về nước cấp cho các thiết bị làm lạnh được khai thác từ nguồn nước mặt và nước ngầm II. Nước cấp cho thiết bị làm lạnh 1. Ảnh hưởng của nước cấp đến mục đích sử dụng Những vấn đề chính liên quan đến nước làm mát bao bồm 1.1 Ăn mòn (gỉ) Là quá trình oxi hóa – khử trong đó kim loại phản ứng trực tiếp với các chất oxi hóa trong môi trường. Oxy hòa tan trong nước làm lạnh ở nhiệt độ cao gây ra hiện tượng ăn mòn kim loại. Nhân tố khác đẩy mạnh quá trình gỉ là cacbonat, nitrat, clorit và trị số pH thấp. Thường quá trình gỉ kèm theo việc tạo ra trên thành ống lớp cặn lắng đọng mấp mô 2 làm ảnh hưởng xấu tới quá trình trao đổi nhiệt, tăng tổn thất áp lực trong đường ống, làm giảm lưu lượng của máy bơm cấp nước làm lạnh… Các đặc tính của nước ảnh hưởng đến sự ăn mòn bao gồm:  Oxy và các khí hòa tan khác  Chất rắn hòa tan và lơ lửng  Tính kiềm và axit  Nhiệt độ  Hoạt động của vi sinh vật … 1.2 Cặn Là một lớp phủ dày của vật liệu vô cơ là chủ yếu hình thành từ sự kết tủa các thành phần hòa tan trong nước. Thành phần chủ yếu của cặn lắng đọng trên các bề mặt làm lạnh là CaCO3. Nó được tạo ra do sự phân hủy ion HCO3- có trong nước làm lạnh: HCO3-  CO32- + H2O + CO2 Khi nước bị đun nóng, CO2 trong nước bị bay hơi làm cho cân bằng chuyển dịch về phía phải, từ đó nồng độ CO32- tăng lên. Trong nước sẵn có Ca2+ sẽ tác dụng với ion cacbonat tạo ra màng rắn chắc trên toàn bộ thành ống của tuyến dẫn nước. Khi nước có trị số pH cao (pH > 10), nước sau khi xử lý bằng vôi để giảm độ cứng cacbonat thì trong thành phần của cặn lắng đọng và cặn bám có cả Mg(OH)2 Khi nước làm lạnh có hàm lượng cặn lớn (cát, sét, cặn lơ lửng khác) chúng có thể lắng đọng trên các đoạn ống của hệ thống làm lạnh khi vận tốc chuyển động của dòng nước trong ống thấp. Nếu trong hệ thống làm lạnh xảy ra việc tạo cặn bám thì cùng với canxi cacbonat trên bề mặt cần làm lạnh và thành ống của hệ thống dẫn nước có thể dính bám cả cặn lơ lửng vì CaCO3 xi măng hóa chúng. Việc tích lũy cặn lơ lửng trên bề mặt làm lạnh và trên thành ống có thể xảy ra cả trong trường hợp khi trên thành ống có lớp phủ sinh vật. Lớp này sẽ thu hút cặn lơ lửng trong nước, làm dày lớp cặn bám vào thành ống. Khi trong nguồn nước cấp cho hệ thống làm lạnh có sắt (nước ngầm) thì trong hệ thống ống dẫn, trên bề mặt làm lạnh có thể lắng đọng cặn hydroxit sắt, vì thế cần xử lý sắt trước khi cấp cho hệ thống cấp nước làm lạnh 3 1.3 Sự lắng đọng vi sinh vật Sự tồn tại trong nước các chất làm thức ăn cho vi sinh vật, rêu tảo và nhiệt độ thuận lợi cho vi sinh phát triển là nguyên nhân gây ra lớp phủ sinh vật trên bề mặt làm lạnh. Sự phát triển của lớp phủ sinh vật đặc biệt mạnh trong các hệ thống làm lạnh khi nước cấp chứa nhiều chất hữu cơ. Sự phát triển của vi sinh vật trên thành thiết bị ở dạng lắng đọng nhầy dính, trong đó có cả cát và cặn lơ lửng. Trong nước làm lạnh có chứa sắt có thể xảy ra quá trình phát triển của vi khuẩn sắt, vi khuẩn sắt có khả năng phát triển nhanh và thường làm tắc ống của các thiết bị làm lạnh. Khi trong nước làm lạnh có sunfat có thể phát triển vi khuẩn khử sunfat thành H2S và sunfit làm tăng cường quá trình gỉ ống và thiết bị. Trên các bề mặt hở của hệ thống làm lạnh, trong dàn làm nguội, bể phun có thể có rong rêu phát triển. Lớp phủ sinh vật làm xấu hoạt động của hệ thống làm lạnh không chỉ phá hoại chế độ trao đổi nhiệt, tăng tổn thất áp lực trong đường ống mà còn làm gỉ ống và thiết bị  Tóm lại: qua các vấn đề phổ biến nêu trên, ta có thể kết luận các thống số cần quan tâm trong nước cấp cho các thiết bị, hệ thống làm lạnh là độ cứng, cặn lơ lửng, vi sinh vật. Trong đó, thông số cần quan tâm đặc biệt là độ cứng và các ion kim loại có trong nước cấp 2. Yêu cầu chất lượng nước cấp Nguồn nước được sử dụng để làm nước cấp là nước mặt và nước ngầm. Nước mặt bao gồm các nguồn nước trong các ao, đầm, hồ chứa, sông suối. Do kết hợp từ các dòng chảy trên bề mặt và thường xuyên tiếp xúc với không khí nên các đặc trưng của nước mặt là:  Chứa khí hòa tan đặc biệt là oxy  Chứa nhiều chất rắn lơ lửng, riêng trường hợp nước chứa trong các ao đầm, hồ do xảy ra quá trình lắng cặn nên chất rắn lơ lửng còn lại trong nước có nồng độ tương đối thấp và chủ yếu ở dạng keo  Có hàm lượng chất hữu cơ cao  Có sự hiện diện của nhiều loại tảo và chứa nhiều vi sinh vật Trước năm 2008, chất lượng nước mặt được quy định trong TCVN 5942 – 1995. Hiện nay đã được thay thế bằng QCVN 08:2008/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt). Quy chuẩn này quy định giá trị giới hạn các thông số chất lượng nước mặt, áp đụng để đánh giá và kiểm soát chất lượng của nguồn nước mặt, làm căn cứ cho việc bảo vệ và sử dụng nước một cách hợp lý. Nước ngầm được khai thác từ các tầng chứa nước dưới đất, chất lượng nước ngầm phụ thuộc vào thành phần khoáng hóa và cấu trúc địa tầng mà nước thấm qua. Do vậy khi nước chảy qua các địa tầng chứa cát và granit thường có tính 4 axit và chứa ít chất khoáng. Khi nước chảy qua địa tầng chứa đá vôi thì nước thường có độ cứng và độ kiềm hydrocacbonat khá cao. Ngoài ra đặc trưng của nước ngầm là:  Độ đục thấp  Nhiệt độ và thành phần hóa học tương đối ổn định  Không có oxy nhưng có thể chứa nhiều khí như CO2, H2S...  Chứa nhiều khoáng chất hòa tan chủa yếu là sắt, mangan, canxi, magie, flo  Không có sự hiện diện của vi khuẩn Trước năm 2008, chất lượng nước ngầm được quy định trong TCVN 5944 – 1995. Hiện nay đã được thay thế bằng QCVN 09:2008/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ngầm). Quy chuẩn này quy định giá trị giới hạn các thông số chất lượng nước ngầm, áp đụng để đánh giá và kiểm soát chất lượng của nguồn nước mặt, làm căn cứ cho việc bảo vệ và sử dụng nước một cách hợp lý. Bảng (1) dưới đây thể hiện các thông số tiêu chuẩn yêu cầu đối với nước cấp làm lạnh của Nhật Bản. Thông số Đơn vị Hệ thống nước làm lạnh Hệ thống tuần hoàn Hệ thống chuyển tiếp Nước tuần hoàn Nước phụ thêm Nước chuyển tiếp pH (25oC) 6.2 – 8.2 6.0 – 8.0 6.8 – 8.0 Độ dẫn điện (mS/m)  80  30  40 Chloride ion (mg/l)  200  50  50 Sunfat ion (mg/l)  200  50  50 Độ kiềm (mg/l)  100  50  50 Độ cứng tổng (mg/l)  200  70  70 Độ cứng Ca (mg/l)  150  50  50 Ionized silica (mg/l)  50  30  30 3. Các hệ thống nước làm lạnh Trong thực tế sản xuất, hiện nay đang tồn tại hai loại hệ thống nước cấp cho các thiết bị làm lạnh: hệ thống làm lạnh xả thẳng và hệ thống tuần hoàn 5 3.1 Hệ thống xả thẳng Nước từ nguồn được bơm vào đối tượng cần làm lạnh; sau khi làm lạnh máy móc, thiết bị hoặc sản phẩm nước được xả thẳng ra sông hoặc hồ chứa 3.2 Hệ thống tuần hoàn Nước từ bể chứa được bơm vào đối tượng cần làm lạnh; sau khi làm lạnh thiết bị, máy móc hoặc sản phẩm…nhiệt độ của nước tăng lên. Người ta cho nước qua dàn phun tiếp xúc trực tiếp với không khí để giảm nhiệt độ của nước xuống nhiệt độ ban đầu rồi tập trung về bể chừa và lại bơm vào thiết bị cần làm lạnh… Hệ thống làm lạnh tuần hoàn mở 6 Hệ thống làm lạnh tuần hoàn kín III. Đề xuất các công nghệ xử lý Xử lý nước là quá trình làm thay đổi thành phần, tính chất tự nhiên theo yêu cầu của các đối tượng sử dụng phụ thuộc vào thành phần, tính chất của nước nguồn và yêu cầu chất lượng của nước, của đối tượng sử dụng Cơ sở để lựa chọn công nghệ xử lý nước dựa vào các yếu tố sau:  Chất lượng của nước nguồn (nước thô) trước khi xử lý  Chất lượng của nước yêu cầu ( sau xử lý) phụ thuộc mục đích của đối tượng sử dụng  Công suất của nhà máy nước  Điều kiện kinh tế kỹ thuật  Điều kiện của địa phương … Đối với nguồn nước cấp là nước ngầm, các yếu tố cần xử lý bao gồm:  Độ cứng  Cặn (Fe, Mn)  Gỉ (oxy hòa tan) Đối với nguồn nước cấp là nước mặt, các yếu tố cần xử lý bao gồm:  Cặn  Vi sinh vật Nếu ứng dụng đối với quy mô nhỏ: sử dụng hệ thống xả thẳng Nếu ứng dụng đối với quy mô lớn: sử dụng hệ thống tuần hoàn 7 Công nghệ xử lý nước mặt Khử cứng 8 1. Hệ thống làm lạnh xả thẳng 1.1 Loại trừ cặn bám (chủ yếu là CaCO3): Giảm nhiệt độ nước làm lạnh (sau khi trao đổi nhiệt) bằng cách tăng lưu lượng nước cấp cho hệ thống. Trong trường hợp việc tăng lưu lượng nước cấp không đạt hiệu quả mong muốn hoặc do không đủ nước để tăng đến lưu lượng yêu cầu thì có thể xử lý nước bằng cách axit hóa hay photphat hóa. Song cần lưu ý đến lượng axit hay photphat sử dụng sao cho trên bề mặt ống của máy lạnh còn tồn tại một lớp màng mỏng của cặn bám CaCO3 để bảo vệ cho ống khỏi gỉ. 1.2 Ngăn ngừa lớp phủ sinh vật Clo hóa nước làm lạnh Thường tiến hành clo hóa nước làm lạnh theo từng chu kỳ. Khoảng thời gian giữa hai lần cho clo vào nước và thời gian tiếp xúc phụ thuộc và độ bẩn của nước do các chất hữu cơ gây ra. Ngoài ra còn phụ thuộc vào dạng và cường độ phát triển của vi khuẩn trong hệ thống Khử lớp phủ sinh vật bằng sunphat đồng Xử lý nước bằng sunphat đồng được áp dụng để loại trừ sự phát triển của vi sinh vật trong hồ chứa, ngăn ngừa rong rêu trong các dàn, bể làm nguội nước và trong các thiết bị làm lạnh kiểu phun nước. Tùy theo từng thời kỳ xử lý nước Khử cứng 9 mà có thể chọn liều lượng cần dùng, chu kỳ xử lý phụ thuộc vào sự phát triểu của rêu tảo, có thể dao động từ vài tuần đến một tháng 1.3 Ngăn ngừa quá trình gỉ ống và thiết bị làm lạnh Để chống gỉ ống và thiết bị trong hệ thống làm lạnh, điều trước tiên là phải chọn ống và thiết bị không bị gỉ (không bị ăn mòn). Có thể xử lý nước bằng vôi hoặc soda (lý do kinh tế) để tạo lên thành ống và thiết bị một lớp màng bảo vệ CaCO3 mỏng rắn chắc, ngăn ngừa sự tiếp xúc trực tiếp giữa nước và kim loại của ống và thiết bị. Một trong các phương pháp tạo ra màng bảo vệ có khả năng giảm tác dụng gỉ là xử lý nước bằng hexameta photphat (HP ) hay photphat natri (PA). Xử lý nước bằng liều lượng lớn poli photphat chúng sẽ bị thủy phân tạo ra ortho photphat canxi và magie ở dạng bùn. Vì thế xử lý chống gỉ bẳng photphat liều lượng lớn chỉ có lợi trong trường hợp nước có độ cứng thấp 2. Hệ thống làm lạnh tuần hoàn Xử lý nước làm lạnh tuần hoàn bằng poli photphat Xử lý nước tuần hoàn bằng poli photphat cho phép nâng cao độ kiềm của nước tuần hoàn mà không bị đóng cặn bám. Hóa chất thường dùng để photphat hóa nước làm lạnh thường dùng là hexameta photphat natri Na(PO4)6 và tripoli photphat natri Na5P3O10. Áp dụng phương pháp xử lý nước bằng poli photphat trong những trường hợp nước bị đun nóng đến nhiệt độ không vượt quá 60 – 70oC. Khi nhiệt độ cao, quá trình thủy phân meta photphat thành ortho photphat xảy ra nhanh làm lắng đọng cặn ortho photphat canxi và magie ở dạng bùn và nhiều trường hợp có thể tạo ra lắng đọng cứng. Trên hình 13.3 giới thiệu sơ đồ thiết bị hòa tan và định lượng dung dịch photphat. Thùng hòa tan và định lượng, ống van phải làm bằng vật liệu không gỉ. 10 Có thể dùng phương pháp xử lý khác để chống gỉ cho đường ống là phương pháp xử lý dùng hexameta photphat Na2[Na4(PO3)6]. Thực chất của phương pháp xử lý này là khi hòa tan hexameta photphat vào nước nó phân ly thành hai ion Na+ và ion phức [Na4(PO3)6]2- theo phương trình : Na2[Na4(PO3)6]  2Na+ + [Na4(PO3)6]2- Khi cho hexameta photphat vào nước thiên nhiên với số lượng bé hơn tổng hàm lượng của các ion Ca2+, Mg2+, Fe2+… sẽ tạo ra các phức chất không hòa tan Ca[Ca2(PO3)6]; Fe[Fe2(PO3)6]; Mg[Mg2(PO3)6]. Các phức chất này dính vào mặt trong của thành ống thành một lớp màng rắn chắc ngăn ngừa được quá trình gỉ ống. Quá trình gỉ ống bị ngăn chặn bằng hexameta photphat xảy ra dần dần theo mức độ tích lũy một số lượng đầy đủ meta photphat canxi trong thành phần của các chất lắng đọng do gỉ gây ra. Càng cho nhiều hexameta photphat vào nước, mức độ ngăn chặn quá trình gỉ ống càng sớm. Ngoài ra, nước cấp trong hệ thống làm lạnh tuần hoàn cũng cần được xử lý tốt về các thông số giống như hệ thống làm lạnh xả thẳng để đảm bảo tính ổn định, hiệu suất của thiết bị cũng như toàn bộ quá trình sản xuất. IV. Công nghệ thực tế áp dụng Hiện nay trên thế giới, hệ thống xử lý nước cấp làm mát rất khoa học và tiên tiến. Cụ thể trong bài là hai hệ thống xử lý của hai công ty BlueGrassKESCO và SKASOL. 11 Hệ thống xử lý nước cấp làm lạnh công ty BlueGressKESCO Hệ thống xử lý nước cấp làm lạnh công ty SKASOL 12 Có thể nhận thấy hệ thống xử lý của cả hai công ty trên là hệ thống xử lý nước cấp tuần hoàn. Nước từ tháp làm lạnh sẽ được bơm qua hệ thống trao đổi nhiệt làm giảm nhiệt độ của nước; tiếp đó nước tuần hoàn sẽ được châm các chất ức chế sự hình thành cặn và ăn mòn đường ống, kế đến là khử trùng vi sinh và tiếp tục quay trở lại làm lạnh các thiết bị, sản phẩm… Các bơm hoạt động đều có bộ điều khiển tự động và đồng hồ đo đạc lưu lượng, áp suất. Tất cả dữ liệu đều được kiểm soát qua máy tính trung tâm và các bộ điều khiển từ xa. V. Kết luận Hệ thống làm lạnh (làm mát) là phần quan trọng không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp, đảm bảo tính ổn định, hiệu quả và năng suất của toàn bộ quá trình sản xuất. Nguồn nước cấp cho hệ thống làm lạnh cần phải được xử lý như nước cấp sinh hoạt nhưng cần chú ý đến xử lý độ cứng. Trong thực tế, nguồn nước cấp cho thiết bị làm lạnh là nguồn nước tuần hoàn từ chính quá trình làm lạnh hệ thống. VI. Tài liệu tham khảo [1] Nalco Company, Cooling Water Treatment, North America: Headquarters – 1601 West Diehl Road • Naperville, Illinois 60563 • USA: Nalco Company. [2] TS. Trịnh Xuân Lai, Xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp, NXB Xây dựng. [3] Nguyễn Thị Thu Thủy, Xử lý nước cấp sinh hoạt và công nghiệp, NXB Khoa học và Kỹ thuật.