calcolo di un impianto di demineralizzazione a scambio ionico al

CALCOLO DI UN IMPIANTO DI DEMINERALIZZAZIONE A SCAMBIO
IONICO AL SERVIZIO DI UN PROCESSO INDUSTRIALE
Si chiede di calcolare:
-
Il volume delle resine scambiatrici di ioni
-
Il diametro e l’altezza delle colonne scambiatrici
-
Il consumo dei reattivi di rigenerazione
-
Il consumo di acqua
-
La produzione di eluati di rigenerazione
1- DATI DI PROGETTO
•
Produzione di acqua demineralizzata: 40 m3/d
•
Fonte: Acqua di rete
•
Utilizzo dell’acqua demineralizzata: 8 ore/giorno
•
Qualità dell’acqua da trattare:
- Salinità totale (residuo 180°C): 364 mg/l
- Conducibilità elettrica specifica: 540 µS/cm
- Composizione chimica, come dal seguente diagramma di Hale:
2,6
Mg++
HCO3-
4,8
Ca++
SO4--
0,8
•
K+
Na+
Cl-
5,6 meq/l
3,5
5,6 meq/l
Obiettivo di qualità dell’acqua demineralizzata: meno di 20 µS/cm
2- DIMENSIONAMENTO
Schema di processo
In ragione della scarsa presenza di bicarbonato si prevede uno schema basato su:
1
-
Colonna a scambio ionico, cationica forte;
-
Colonna a scambio ionico, anionica forte;
Senza quindi prevedere uno stadio intermedio di decarbonatazione (stripping CO2).
Il processo previsto è in grado di realizzare l’obiettivo di qualità prefissato, senza necessità di
colonne di finitura a letto misto.
HCl
30%
Schema di processo:
NaOH 50%
Acqua di rete
R-OH
V1
All’utilizzo
P1
V2
Allo smaltimento
P2
R-H
- Resina cationica forte
R-OH - Resina anionica forte
V1
- Serbatoio accumulo acqua demineralizzata
V2
- Serbatoio accumulo eluati di rigenerazione
P1 e P2 – Pompe di rilancio
2
Definizione del ciclo operativo
Si prevede di esercire l’impianto con un ciclo operativo di 8 ore/giorno, su una singola linea di
trattamento e di eseguire successivamente la fase rigenerativa. Il tutto con processo
completamente automatizzato.
Calcolo delle colonne a scambio ionico
Scelta del tipo di resina cationica
Si sceglie una resina cationica forte con gruppo radicalico solfonico (R-SO3H) avente la capacità
di scambio come da grafico:
Capacità di scambio
(g CaCO3/litro resina)
80
125
Livello rigenerativo (g HCl 100% / litro resina)
Si sceglie:
-
un livello rigenerativo di 125 g HCl 100% / litro resina
-
una corrispondente capacità di scambio di 80 g CaCO3/litro resina
Scelta del tipo di resina anionica
Si sceglie una resina anionica forte con gruppo radicalico ammonico quaternario (RN(CH3)3OH) avente la capacità di scambio come da grafico:
Capacità di scambio
(g CaCO3/litro resina)
35
115
3
Livello rigenerativo
(g NaOH 100% / litro resina)
Si sceglie:
-
un livello rigenerativo di 115 g NaOH 100% / litro resina
-
una corrispondente capacità di scambio di 35 g CaCO3/litro resina
Calcolo dei volumi di resina
V ⋅ Ci
Va = 
(litri)
CSa
Volume di resina anionica
(V + αVa) ⋅ Ci
Vc =  (litri)
Volume di resina cationica
CSc
Ove al numeratore sono rappresentati i carichi ionici da scambiare (grammi di CaCO3 o grammieq.) in un ciclo operativo e al denominatore sono rappresentate le capacità di scambio delle resine
anionica e cationica (grammi CaCO3/litro resina oppure grammi-eq/litroresina).
V = volume di acqua da trattare in un singolo ciclo operativo = 40 m3/ciclo
Ci = concentrazione ionica da scambiare = 5,6 grammi-eq /m3
= 5,6 x 50 = 280 g CaCO3/m3
α = volume specifico di acqua decationizzata occorrente per il post-lavaggio della resina anionica =
10 litri acqua decationizzata/litro resina anionica (come da specifica della resina)
Si ha pertanto:
40 (m3) ⋅ 280 (g CaCO3/m3 acqua)
Va = 
35 g CaCO3/litro resina
= 320 (litri resina anionica)
(40 + 10 ⋅ 0,32 ) (m3) ⋅ 280 (g CaCO3/m3 acqua)
Vc =  = 151 (litri resina cationica)
80 (g CaCO3/litro resina)
4
Verifica della portata specifica di esercizio
Le specifiche di fornitura delle resine raccomandano il rispetto di un certo range della portata
specifica di esercizio. Da essa dipende infatti il tempo di contatto e quindi l’efficienza di scambio.
Range raccomandati per le resine scelte: 5-50 litri acqua/h /litro di resina
La verifica risulta positiva in quanto:
- resina anionica: 5.000 litri/h / 320 litri resina = 15,6 litri acqua/h /litro di resina
-
resina cationica: 5.000 litri/h
/ 151 litri resina
= 33,1 litri acqua/h /litro di resina
Calcolo diametro e altezza colonne
Si prevedono le seguenti altezze di strato di resina:
- resina cationica: 1,0 m
- resina anionica: 1,2 m
Conseguentemente si calcolano i seguenti diametri e altezze utili di colonna (parte cilindrica):
- resina cationica: 0,151 m3 /1,0 m = 0,151 m2 → diametro 0,44 m
- resina anionica: 0,320 m3 /1,2 m = 0,27 m2 → diametro 0,58 m
Dovendosi prevedere una fase di espansione (del 50%-70 %) in fase di controlavaggio, le colonne
vengono dimensionate di altezza pari a h = 2,0 m (parte cilindrica)
Calcolo consumo reagenti/ciclo
-
Consumo HCl 100%: 125 g /litro resina cat. ⋅ 151 litri resina cat. = 18.875 g HCl /ciclo
Consumo NaOH 100%: 115 g /litro resina an. ⋅ 320 litri resina an. = 36.800 g NaOH/ciclo
Calcolo del consumo di acqua /ciclo
Oltre al consumo diretto di acqua per la produzione di acqua demineralizzata (40 m3/ciclo), si hanno
consumi dovuti ai lavaggi-post operativi delle colonne e alla diluizione dei reagenti:
- lavaggio in controcorrente (10 m3/h/m2 per circa 15 min.): 10 ⋅ (0,151+0,27) m2⋅ 0,25 h = 1,05 m3
- lavaggio finale Ia + IIa fase post-rigenerazione (10 m3/m3 resina ):10⋅(0,320+0,151) = 4,7 m3
- diluizione reattivi (reattivi dosati sulle resine al 5% circa):
diluizione HCl dal 30% al 5% = 0,018875 ⋅ 95/5 - 0,018875 ⋅ 70/30 = 0,36-0,05 = 0,31 m3
diluizione NaOH dal 50% al 5% = 0,036800 ⋅ 95/5 – 0,036800 ⋅ 50/50 = 0,70-0,036 = 0,66
m3
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
6,7 m3/ciclo operativo
- Consumo di acqua :
Produzione eluato/ciclo
La produzione di eluato è determinata dalle fasi di rigenerazione e di lavaggio post-rigenerazione:
-rigenerazione:0,31⋅100/95 m3 + 0,66 ⋅ 100/95 m3 = 0,33+0,69= 1,02 m3
-lavaggio post-rigenerazione = 4,7 m3
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Produzione totale eluati/ciclo = 5,72 m3/ciclo
5
Quadro riepilogativo del dimensionamento
Nella Tabella che segue sono riepilogati i risultati del dimensionamento effettuato:
Quadro riepilogativo del dimensionamento
VOCE
DATI
Dati di progetto:
40 m3/d
• Produzione giornaliera di acqua demineralizzata
8 h/d
• Utilizzo acqua demineralizzata:
acqua di rete
• Fonte:
Conc. ionica totale = 5,6 meq/litro (280 mg/l CaCO3)
• Qualità acqua di rete
Conducibilità elettrica specifica =540 µS/cm
Residuo 180°C = 364 mg/l
• Obiettivo demineralizzazione
Conducibilità elettrica specifica < 20µS/cm
Resina cationica forte
• Volume resina
151 litri
• Diametro
0,44 m
• Altezza resina
1,0 m
• Altezza colonna (parte cilindrica)
2,0 m
Resina anionica forte
• Volume resina
320 litri
• Diametro
0,58 m
• Altezza resina
1,2 m
• Altezza colonna (parte cilindrica)
2,0 m
Consumo reattivi
• HCl 100%
18,875 Kg/ciclo
• NaOH 100%
36,8 Kg/ciclo
Produzione eluati
5,72 m3/ciclo
6