Riduzione fisica del calcare per l’efficienza degli impianti termotecnici

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Riduzione fisica del calcare per l’efficienza degli impianti termotecnici. By Jan De Baat Doelman – September 20, 2013

Negli Stati Uniti si spendono miliardi di dollari l’anno per controllare e rimuovere il calcare che si accumula in apparecchiature come scambiatori di calore, refrigeratori evaporativi, caldaie, refrigeratori, e altre attrezzature alimentate ad acqua.

Una tecnologia di prevenzione delle incrostazioni può ridurre i problemi legati all’accumulo di calcare nelle apparecchiature HVAC.

Glossario

• Sporcamento (fouling): – La deposizione e l’accumulo di materiali indesiderati sulle superfici di scambio termico, comprese le incrostazioni del calcare.
• Scambio ionico (ione exchange): Una reazione reversibile di scambio tra ioni contenuti in un “solido” scambiatore e gli ioni di un mezzo che l’attraversano. Processo impiegato negli addolcitori, dove Na-ioni (ioni-sodio) vengono rimpiazzati da Ca-ioni (ioni-calcio) dell’acqua che passa.
• Pulizia tubi per abrasione (Pipeline Pigging): Controllo della conduttura realizzato con un dispositivo cilindrica che viene sospinto attraverso il tubo dalla pressione dell’acqua o tirato da uno degli estremi.
• Nucleazione: Il processo iniziale di formazione di un cristallo da una soluzione, allo stato liquido o di vapore, in cui un piccolo numero di ioni, atomi o molecole vengono disposti in un modello caratteristico di cristallo solido, formando un sito su cui si aggiungono particelle che contribuiscono alla crescita del cristallo.
• Legge dell’azione di massa: La velocità di una reazione chimica è direttamente proporzionale alle concentrazioni molecolari delle sostanze reagenti.
• Idiomorfico: Una sostanza che cristallizza in una forma propria, genuina e non disturbata da altre sostanze.

 

E’ di miliardi di dollari l’anno negli Stati Uniti il costo del settore per controllare e rimuovere il calcare che si accumula nell’alimentazione di riscaldamento industriale, ventilazione e aria condizionata (HVAC) quali caldaie, refrigeratori, scambiatori di calore e refrigeratori a evaporazione. Il calcare non solo aumenta i costi di fermo e di manutenzione, provocando la precoce sostituzione di beni strumentali, ma aumenta anche il consumo di energia. La decalcificazione può ridurre al minimo i problemi legati all’accumulo di calcare sugli impianti e le attrezzature HVAC conservando l’acqua, riducendo l’energia, e riducendo al minimo gli arresti di produzione inaspettati.

I dispositivi elettromagnetici di decalcificazione costituiscono una reale alternative, altamente ecologica, alla disincrostazione chimica e meccanica.

Tipologie della deposizione del Calcare

Il calcare è definibile come una miscela di sali minerali poco solubili. La deposizione del calcare o le incrostazioni, si verificano durante il trasferimento di calore o cambiamenti di pressione. Ne fanno parte, ad esempio il Carbonato di calcio (CaCO3) derivante da acqua dura, così come il fosfato di calcio e la formazione di ossalato negli zuccherifici.

Altri tipi di calcare incorporano la crescita di alghe e batteri (biofouling), il consolidamento delle particelle libere (particolato, fouling), l’accumulo di depositi di simil carboniosi (per esempio, la reazione chimica che provoca sporcamento) e, talvolta, una combinazione di vari materiali. Nel corso del tempo questi eventi creano modifiche alla composizione dell’acqua.

Come il calcare incrementa il consumo di energia

Il carbonato di calcio CaCO3 è il componente predominante del deposito duro e tenace provocato dall’acqua ed è particolarmente presente in processi di trasferimento di calore. Una concentrazione di solidi disciolti dalla ripetuta parziale evaporazione dell’acqua è il fattore principale che provoca il carbonato di calcio. Alla fine anche l’acqua addolcita, sia pure con basse concentrazioni di minerali, produrrà incrostazioni di calcare. I responsabili di processo e di manutenzione degli impianti dovrebbero essere preoccupati per la deposizione del calcare. I depositi diventano uno strato isolante sulle superfici di scambio termico che impedisce l’efficiente trasferimento di calore. Ciò causa un ulteriore aggravio energetico. Si stima che per riscaldare l’acqua in un sistema con un deposito di soli 3 mm di calcare sia necessario un supplemento di energia di oltre il 40 per cento.

Per compensare in qualche modo le perdite di calore, spesso si installano scambiatori di calore robusti e di maggiore capacita con aggravio di costi. Il surriscaldamento dei tubi incrostati di una caldaia rendono il sistema meno sicuro meccanicamente. Un torre di raffreddamento può crollare sotto il peso dei depositi di calcare. La frantumazione incontrollata di particelle di calcare può interferire con altre superfici causandone l’erosione. Il calcare nelle tubazioni ne riduce il diametro interno aumentando la resistenza al flusso con la necessità di avere più potenza per spingere il fluido e quindi di dover disporre di pompe di maggiore potenza. Questa è comunque una soluzione di breve durata a cui si dovrà inevitabilmente aggiungere il costo della fermata per pulizia.

Gli altri effetti negativi del calcare.

Inizialmente la formazione di un sottile strato uniforme di calcare riduce per un po’ la corrosione dell’acciaio, ma poi le condizioni di ristagno d’acqua che si verificano sotto il deposito e le reazioni elettrochimiche, corrodono le superfici in acciaio. Ciò si traduce in perdite di fluidi e di danneggiamenti delle apparecchiature.

Nell’industria alimentare e delle bevande, anche le tracce di particolato nelle tubazioni possono contaminare il prodotto e modificarne i sapori e i colori, rendendo il prodotto invendibile.

Nell’estrazione del petrolio si possono verificare significativi problemi di incrostazioni provocate dall’acqua altamente mineralizzata che viene estratta con l’olio. In questo caso sono a rischio non solo gl’impianti e l’integrità del prodotto ma anche la salute e la sicurezza del personale. Le valvole di sicurezza o i sensori d’emergenza del processo, intasati, non possono operare in caso di emergenza. Caldaie surriscaldate sono stati rilevate in condizioni di imminente esplosione. L’incapacità di controllare la crescita batterica nell’acqua di raffreddamento, inoltre, può creare condizioni di pericolo per la salute, per lo sviluppo, ad esempio, della Legionella pneumophila, mentre condizioni anaerobiche possono consentire la produzione tossica di idrogeno solforato derivante dalla solfato-riduzione dei batteri.

Riconoscere il Fouling

Poiché il calcare e altri depositi si formano generalmente all’interno di sistemi chiusi, non è sempre evidente che la deposizione è in corso. Ma alcuni indizi sono in grado di fornire le prove necessarie.

Ad esempio può essere utile trovare una risposta alle seguenti domande:

•  I costi energetici per il riscaldamento risultano inferiori subito dopo la pulizia dell’impianto?
• È necessario organizzare significativi tempi di inattività pianificati o non pianificati?
• Gli scambiatori di calore stanno mostrando risultati al disotto dei dati progettuali?
• La corrosione costituisce un problema nell’impianto?
• Ci sono segni di formazione di depositi inaspettati all’interno del sistema?

Se la risposta è più volte affermativa, è probabile è che si stiano accumulando sporco e incrostazione. Il controllo della deposizione fa risparmiare energia, previene guasti e riduce la manutenzione. Inoltre, una strategia di successo del trattamento mantiene il flusso del fluido ottimale, riduce gli effetti della corrosione, e fornisce un ambiente più sicuro e vantaggioso per tutti.

La soluzione del Problema

Un “audit di processo” identifica l’entità del problema, il punto nel sistema dove si è verificata la prima incrostazione e, più importante, perché c’è il problema. Dalle prove raccolte, può essere possibile trovare una soluzione senza la necessità di costose misure di controllo esterni. Piccole modifiche della temperatura di processo, pressione, pH o composizione dei fluidi, potrebbero ridurre significativamente il potenziale di incrostazione, praticamente a costo zero. Le opzioni di trattamento comprendono inibitori chimici, disincrostanti, scambio ionico, pulizia fisica come l’impiego di scovoli nei gasdotti e l’installazione di dispositivi elettromagnetici. Anche se è di solito possibile trovare una soluzione chimica per un problema d’incrostazione, le sempre crescenti pressioni ambientali e di sicurezza richiedono che il consumo di prodotti chimici sia ridotto il più possibile, a causa del loro negativo impatto ambientale.

Metodi Fisici e meccanici.

Per rimuovere le incrostazioni possono essere usati una serie di metodi fisici, quali getto d’acqua o sabbia. Tali metodi, tuttavia, possono causare abrasioni delle superfici, che possono portare ad un aumento di calcare perché le abrasioni forniscono una piattaforma adatta per concentrarne di nuovo.

Metodo Fisico Elettromagnetico.

Dispositivi di rimozione elettromagnetica del calcare alterano la forma dei cristalli CaCO3 che riducono l’aderenza e l’accumulo del deposito sulla parete del tubo, cambiando nucleazione in modo tale che le particelle non si attaccano a nessun tipo di superficie (vedere Figura 2).

Questi dispositivi possono influenzare la decalcificazione a valle del punto di installazione. Si rileva alcune settimane dopo l’installazione, un rammollimento e la riduzione del calcare esistente. Questo trattamento è efficace anche quando il flusso di acqua è molto basso o nullo, dato che il termine qE è indipendente dalla velocità di flusso.

Poiché il calcare non si accumula, l’acqua che scorre rimuoverà gli strati di calcare formatisi nel tempo, per effetto della diffusione secondo la legge di azione di massa. Mediante il trattamento elettromagnetico quindi l’acqua dura è in grado di sciogliere e rimuovere gli strati di calcare esistenti.

L’effetto diretto di un dispositivo elettronico sopra descritto si basa sul processo di nucleazione e colloidi. Questo approccio è dimostrato da fenomeno noto come forza di Lorenz.

F = qE + q (V x B)

Dove F è eccitata da particelle cariche che fluiscono attraverso un campo

• q = carica della particella
• E = campo elettrico vettoriale
• V = velocità vettoriale delle particelle
• B = vettore campo magnetico

I dispositivi elettromagnetici funzionano sotto l’influenza di deboli campi elettromagnetici alternati, dove non è tanto importante la potenza quanto le frequenze utilizzate. Sono queste che determinano il successo del trattamento.

La prevenzione e la rimozione del calcare sono realizzati in diversi modi:

1.  I dispositivi elettromagnetici influenzano la nucleazione iniziale, con conseguenti cristalli che non si attaccano tra loro. Mentre l’acqua non trattata costruisce strutture opache che crescono sempre di più, il trattamento elettromagnetico crea cristalli sparsi idiomorfici che non formeranno strutture opache. Tali cristalli hanno una forma tondeggiante con un volume grande in relazione ad una superficie piuttosto piccola. Questa caratteristica li rende facilmente dilavabili dal flusso dell’acqua che li allontanerà facilmente dal tubo.
2.  Raggruppamenti colloidali in acqua possono avere cariche positive e negative (modello Janus) in posizioni diverse. Se viene utilizzato un campo elettromagnetico con la frequenza corretta è necessaria solo una piccola energia per riposizionare i colloidi. Una volta che questi colloidi sono stati riposizionati, la loro tendenza a formarsi in bastoncini è molto più bassa.
3.  Il calcare sulla parete del tubo si comporta come un qualsiasi processo che incontra due sostanze secondo la legge di azione di massa. Ciò significa che vi è, contemporaneamente, un’azione ed un azione inversa. In questo caso, mentre alcune particelle si accumulano nel calcare, altre particelle entreranno in soluzione di nuovo. Nell’acqua non trattata, la tendenza per le particelle a costituirsi in calcare è più forte di quella che le porterebbe a sciogliersi. Dopo il trattamento, la situazione cambia: come le particelle di acqua cessano di depositarsi, le particelle di calcare si dissolvono.

 

Oltre la legge chimica di azione di massa, c’è un aspetto fisico che supporta la decalcificazione. Il calcare si forma strato dopo strato, accumulandosi sempre di più. Questi strati, quindi, riflettono il cambiamento della composizione dell’acqua nel tempo. Così, mentre sono abbastanza omogenei nello strato stesso, gli strati circostanti hanno una composizione diversa. La forza di legame interstrato è più debole all’interno di un livello. L’ultimo strato, in ordine di formazione, essendo a contatto con l’acqua, sarà il primo a essere attaccato dal trattamento. Quando questo strato viene eliminato, lo strato intermedio verrà rimosso rapidamente, esponendo al trattamento il successivo strato interno. I diversi livelli differiscono in composizione e spessore ed è questo che determinerà il tempo necessario per rimuoverli.

I comuni meccanismi d’incrostazione

I comuni meccanismi di incrostazione e di formazione dello sporco sono:

•  Particolato – E’ costituito da sedimenti di polvere, ruggine, solidi sottili e altri solidi in sospensione.

• Cristallizzazione – Il carbonato di calcio è il componente predominante del deposito duro e tenace ed è particolarmente evidente in processi di trasferimento di calore. Una concentrazione di solidi disciolti dovuti ad una parziale ripetuta evaporazione dell’acqua è il fattore principale che provoca il calcare.

Anche l’acqua addolcita finirà nel tempo per diventare numerose volte scala formano quando concentrato, cioè, due, tre, quattro, o anche di più.

• Sporcamento (Fouling) biologico – Si verifica quando gli organismi biologici si riproducano su superfici di scambio termico. I problemi nascono dalle alghe ad altri microbi come cirripedi e cozze zebra. In certi periodi dell’anno quando i microbi iniziano a svilupparsi, varie colonie di diversi centimetri di spessore possono crescere attraverso gli accessi di servizio dello scambiatore di calore, influenzandone le prestazioni termiche.
• Reazione chimica (fouling) – Questo tipo di incrostazione si verifica quando le deposizioni si formano come risultato di una reazione chimica.
• Corrosione (fouling) – E causata da una reazione chimica che coinvolge la superficie dello scambiatore di calore.