تشکیل رسوب در بویلرها و مبدل های حرارتی

آب، مهم ترین سیالی است که در سامانه های حرارتی و برودتی وظیفة انتقال حرارت را بر عهده دارد. هرگاه دماي آب افزايش يابد و يا مقداری از آن تبخير گردد، لايه هايی از رسوب در جدارۀ لوله ها، مخازن و شيرآلات تشکيل می شود. شورۀ سفيد رنگی که در دهانۀ شيرها، روشويی ها، ظرفشويی ها، زيردوشی ها و وان های حمام تشکيل می شود، نشانگر وجود رسوب های کلسيم و منيزيم کربنات است. در کولرهای آبی نيز به علت تبخیر مداوم آب، با افزایش غلظت نمک، شوره تشکیل می شود. زمانی که از آب به عنوان یک سیال حرارتی استفاده می شود املاح و سختی موجود در آب بر اثر افزايش دما و يا تغيير شيميايي محيط (مانند تغيير pH) رسوب ايجاد کرده، رسوب حاصله بر روی سطوح می نشیند. طبق تعریف، رسوب به لا ۀی پیوسته و چسبنده ای گفته می شود که در سطحی از بدنۀ دیگ بخار  و لوله های تبادل حرارت که با آب و یا سیال حرارتی در تماس اند، تشکیل می گردد.

با زیاد شدن غلظت مواد و جامدات حل شده و معلق در آب جوش آورها (بويلرها)، مبدل هاي حرارتي و… امكان تشكيل رسوب افزايش مي يابد.

  1. غلظت مواد و ذرات حل شده در آب (که با افزایش دما و اشباع شدن یون ها رسوب پدید می آید).
  2. مواد معلق موجود در آب (که می تواند ناشی از محصولات خوردگی، ذرات معلق هوا و یا رشد میکروارگانیسم ها در آب باشد).

فرآیند تشكيل رسوب در اثر اشباع شدن یون ها

املاح كلسيم به صورت بي كربنات (HCO3) به فراواني در آب يافت مي شوند. در سطوح حرارتي، دمای آب بالا رفته، بي كربنات به صورت كربنات (CO32) رسوب می کند. به عنوان مثال مي توان به جرم يا رسوب كتري و سماور اشاره كرد كه با حرارت دادن آب، كلسيم و منيزيم بي كربنات به كلسيم و منيزيم كربنات تبديل مي شوند. وقتي يون هاي كلسيم، منيزيم و كربنات به حد اشباع و سیرشده می رسند، روي جدارۀ داخلي كتري يا سماور رسوب می كنند.

وجود رسوبات سبب كاهش قطر داخلي لوله ها و درنتيجه كاهش جریان آب می شود. همچنين رسوبات به عنوان يك عايق حرارتي در سطوح انتقال حرارت عمل میک نند. بنابراين هر دو عامل سبب كاهش انتقال حرارت و بازده حرارتی دیگ های بخار، مبدل های حرارتی و… می گردند.  وجود هرگونه رسوب در تجهیزاتی مانند دیگ های بخار، نامطلوب است، بنابراین عناصر تشكيل دهندۀ آن مثل كلسيم، منيزيم، آهن و سيليس باید از آب ورودی به دیگ بخار جدا شوند. زیرا با كاهش انتقال حرارت و بازده حرارتی دیگ بخار، جذب حرارت از گازهای حاصل از احتراق کاهش میی ابد، انرژی به هدر مي رود و تولید بخار نیز کم می گردد. لذا برای جبران کاهش تولید بخار، میزان سوخت مصرفی دیگ بخار افزایش می یابد.

نرم کردن آب

نرم کردن آب به معنی کاهش یون های کلسیم و منیزیم است که به دو روش ته نشینی شیمیایی  و استفاده از رزین های تبادل یونی  صورت می گیرد. از روش هاي دیگر پیشگیری از رسوب گذاری در سامانه هاي حرارتی می توان به تزريق اسيد، بهسازي با جريان هاي جانبي و استفاده از مواد بازدارنده  شيميايي، اشاره کرد. در شکل زیر رزین های تبادل یونی نشان داده شده است.

تشکیل رسوب در بویلر

روش های تبادل یونی، براساس تبادل برگشت پذیر یون ها بین محلول و یک فاز جامد استوار است. فاز جامد در آب، غیر محلول بوده، دارای گروه هایی به صورت بنیان اسیدی یا بازی است. این بنیان ها عوامل اصلی تبادل یون هستند. رزی نهای تبادل یونی، منشأ آلی دارند و از پلیمرهای با وزن ملکولی زیاد تشکیل شد هاند. تبادل گرهای یونی، شامل دو گروه آنیونی و کاتیونی هستند. به عنوان مثال و برای روشن تر شدن واکنش های تبادل یونی، رزی نهای اسیدی و بازی را به صورت  R-Hو R-OHدر نظر بگیرید. طبق واکنش های زیر یون های سدیم و کلرید با یون های هیدروژن و هیدروکسید مبادله می شوند.

واکنشیون سدیم و کلرید

روش های تبادل یونی، براساس تبادل برگشت پذیر یون ها بین محلول و یک فاز جامد استوار است. فاز جامد در آب، غیر محلول بوده، دارای گروه هایی به صورت بنیان اسیدی یا بازی است. این بنیان ها عوامل اصلی تبادل یون هستند. رزی نهای تبادل یونی، منشأ آلی دارند و از پلیمرهای با وزن ملکولی زیاد تشکیل شد هاند. تبادل گرهای یونی، شامل دو گروه آنیونی و کاتیونی هستند. به عنوان مثال و برای روشن تر شدن واکنش های تبادل یونی، رزی نهای اسیدی و بازی را به صورت  R-Hو R-OHدر نظر بگیرید. طبق واکنش های زیر یون های سدیم و کلرید با یون های هیدروژن و هیدروکسید مبادله می شوند.

هر سيستم غشایي نظير سيستم RO بطور طبیعی بر اثر وجود مواد معلق، املاح محلول و پارامترهای میکروبی موجود در آب خوراک دچار گرفتگی می­شود که این امر توجه به پیش تصفیه فیزیکی و شیمیایی صحیح سیستم را ضروری می سازد.

فرآیند ترسیب عبارت از نشست نمکهای کم محلول روی سطح غشاء و فولینگ عبارت از تجمع مواد معلق جامد و میکروارگانیسم ها روی سطح غشاء. فولینگ در سیستم های RO یک پدیده طبیعی تلقی می­شود که با عملیات پیش تصفیه و فیلتراسیون مناسب و شستشوی شیمیایی در مواقع نیاز قابل کنترل است.

لایه گذاری شیمیایی (Scaling) ناشی از ترکیبات معدنی محلول در آب همچون کربنات کلسیم(CaCO3)، سولفات کلسیم(CaSO4)، سیلیکا(SiO2)  یا دی اکسید سیلیکون، سولفات باریم(BaSO4)  و … می تواند موجب محدودیت راندمان کاری سیستم های فیلتراسیون غشایی دارای فیلتر ممبران، افزایش فشار و درنتیجه افزایش مصرف انرژی و هزینه های مرتبط با آن، کاهش کیفیت آب بدست آمده، شست و شوها و از کارافتادگی های مکرر می شود. لازم به ذکر است عمر مفید فیلتر ممبران بر اثر پدیده هایی چون لایه گذاری شیمیایی (Scaling) کاهش می یابد.