Uzdatnianie Gazów: Metody i Maszyny
- Szczegóły
Woda, poza rozpuszczonymi minerałami, zawiera również pewne ilości rozpuszczonych gazów. Mowa tu nie tylko o głównych składnikach powietrza, takich jak azot i tlen, ale także o dwutlenku węgla, który wykazuje silne działanie korozyjne, oraz o gazach używanych do dezynfekcji wody.
Rozpuszczalność Gazów w Wodzie
Zawarte w wodzie gazy mogą występować w formie rozpuszczonej i nierozpuszczonej. Ich rozpuszczalność zależy od ciśnienia cząstkowego i temperatury wody. Korelację tę opisuje prawo Henry'ego, zgodnie z którym rozpuszczalność gazów w cieczach rośnie wraz z obniżeniem temperatury i wzrostem ciśnienia. To właśnie dlatego wrząca woda jest praktycznie wolna od gazów rozpuszczonych.
Rozpuszczonych gazów nie widać w wodzie. Gdy jednak woda osiąga stan nasycenia gazem i żaden inny gaz nie może się już w niej rozpuścić, w cieczy zaczynają tworzyć się pęcherzyki. Można analogicznie porównać to do sytuacji rozpuszczania cukru w szklance wody - gdy rozpuścimy maksymalną objętość, roztwór staje się nasycony i nie jesteśmy w stanie rozpuścić więcej cukru.
Woda jest mieszaniną zawierającą między innymi rozpuszczone gazy, dlatego obecność azotu i tlenu w instalacjach jest zjawiskiem naturalnym. Gazów tych nie można jednak lekceważyć, ponieważ przyczyniają się do powstawania korozji, a w instalacjach grzewczych utrudniają transport ciepła.
Główną przyczyną problemów związanych z obecnością gazów w systemach grzewczych lub obiegach chłodniczych (tzw. napowietrzaniem) jest azot. Szczególnie podatne na napowietrzanie są obiegi chłodnicze, ponieważ (zgodnie z prawem Henry'ego) w niższych temperaturach gazy rozpuszczają się lepiej.
Przeczytaj także: Technologie oczyszczania wody: Przegląd
Gazy dostają się do obiegów zamkniętych głównie podczas napełniania instalacji i uzupełniania wody, a także podczas napraw. Nie bez znaczenia są też przepuszczalne części - im więcej elementów z tworzywa sztucznego i elastycznych przyłączy znajduje się w instalacji, tym łatwiejsza jest dyfuzja gazów do obiegu grzewczego lub chłodniczego. Gazy uwalniane są też podczas procesów gnilnych i reakcji chemicznych. Mowa tu między innymi o procesie fermentacji, który jest ważną częścią przemysłu spożywczego.
Właściwości i wpływ poszczególnych gazów:
- Tlen: Będąc gazem bardzo aktywnym chemicznie, tlen w instalacji grzewczej lub chłodniczej bardzo szybko ulega reakcji.
- Azot: W przeciwieństwie do tlenu, azot jest gazem obojętnym i nie wchodzi w reakcje chemiczne. Początkowo występuje w instalacji w formie rozpuszczonej, lecz gdy wzrośnie jego koncentracja, w wodzie pojawiają się pęcherzyki powietrza.
- Dwutlenek węgla: Pod względem przemysłowym, technicznym i gospodarczym, szkodliwy może być też rozpuszczony w wodzie dwutlenek węgla. Szczególnie niebezpieczna jest jego agresywna odmiana, która powoduje korozję konstrukcji metalowych i przewodów betonowych. Dwutlenek węgla odgrywa jednak bardzo ważną rolę w przemyśle spożywczym, a zwłaszcza przy produkcji napojów.
Odgazowanie Wody
Odgazowanie wody to usuwanie lub redukcja rozpuszczonego w wodzie tlenu, dwutlenku węgla i innych gazów. Aby sprecyzować, których gazów się pozbywamy, możemy używać pojęcia odtlenianie lub dekarbonizacja. Jak sama nazwa wskazuje, odtlenianie to usuwanie tlenu. Pojęcie dekarbonizacji w przemyśle wodnym odnosi się z kolei do każdej technologii prowadzącej do zmniejszenia zawartości związków węgla w wodzie.
Metody Odgazowywania
- Odgazowywanie próżniowe: Odgazowywacze próżniowe wykorzystują pionowy zbiornik ciśnieniowy i pompy próżniowe do ciągłego usuwania niepożądanych gazów z cieczy. Pompy obniżają ciśnienie w zbiorniku (wytwarzają próżnię), obniżając w ten sposób temperaturę wrzenia wody.
- Odgazowanie termiczne: Odgazowywacze termiczne bazują na procesie fizycznym, który polega na usuwaniu rozpuszczonych gazów poprzez wykorzystanie ich nierozpuszczalności w wysokich temperaturach.
Oznaczanie Tlenu i Dwutlenku Węgla
Obecnie tlen oznaczany jest prawie wyłącznie elektrochemicznie, przy wykorzystaniu woltamperometrii. Jest to technika elektrochemiczna, która polega na pomiarze natężenia prądu przepływającego przez elektrodę w funkcji przyłożonego do niej potencjału. Wykorzystywana jest tu zależność, że wartość prądu dyfuzji jest wprost proporcjonalna do zawartości tlenu w roztworze.
W oznaczaniu zawartości dwutlenku węgla stosowane są z kolei metody chemiczne, w tym miareczkowanie (bezpośrednie i pośrednie) lub fizyczne, z których najczęściej stosuje się metody manometryczne oraz spektrometrię w podczerwieni. Należy zauważyć, że na rynku dostępne są również techniki, które nie wymagają odgazowania próbki. Na potrzeby browarów dostępne są na przykład automatyczne analizatory oparte na wykorzystaniu spektrometrii bliskiej podczerwieni (NIR) z rurką oscylacyjną wypełnioną nadciśnieniem.
Wykrywanie Nieszczelności Ultradźwiękami
Przejście gazu z wyższego ciśnienia do niższego ciśnienia przez wąskie miejsce (np. nieszczelność) odznacza się charakterystycznym sykiem. Można to łatwo zaobserwować przy otwieraniu napoju gazowanego lub odkręceniu butli ze sprężonym powietrzem. Jest to spowodowane przejściem gazu z przepływu laminarnego (wewnątrz instalacji) lub braku przepływu (np. w butli) do przepływu turbulentnego czyli zaburzonego. Powoduje to powstawanie dźwięków. Dla wysokich ciśnień i dużych nieszczelności są to dżwięki słyszalne przez człowieka jako "syk" i łatwo je usłyszeć na instalacji.
Przeczytaj także: Grupa Azoty Puławy - oczyszczanie wody
Jednak większość nieszczelności jest relatywnie mała i powoduje ciągłą ucieczkę gazu z instalacji. Te nieszczelności także powodują powstawanie dźwięków, ale w zakresie niesłyszalnych dla ludzkiego ucha ultradźwięków. Nie ma przy tym znaczenia czy gaz przechodzi z instalacji do atmosfery (gazy sprężone) czy z atmosfery do instalacji (instalacje próżniowe).
Ultradźwiękowy wykrywacz nieszczelności to urządzenie, które potrafi wykrywać ultradźwięki i dzięki heterodynowaniu (zmianie częstotliwości) zamienić je na dźwięki słyszalne w słuchawkach. Dzięki temu podobnie jak przy otwieraniu napoju możemy w słuchawkach słyszeć charakterystyczny "syk" z małych nieszczelności.
Dowolne. Znaczenie ma nie tyle rodzaj gazu co ciśnienie. W uproszczeniu im wyższe ciśnienie tym "głośniejszy wyciek". Wykrywacze ultradźwiękowe sprawdzają się przy ciśnieniu pow. 0,3 bar lub 0,5 bar. Możemy wykrywać wycieki gazów obojętnych (azot), sprężonego powietrza, gazów osłonowych (np. argon), chłodniczych itd.
Podobnie jak dźwięki słyszalne kiedy mówimy nie musimy być tuż obok rozmówcy tylko możemy coś powiedzieć na odległość. To czy usłyszymy jakiś dźwięk zależy od jego natężenia i odległości w jakiej jesteśmy od jego źródła. Przy szepcie musimy stać blisko, a przy krzyku możemy się oddalić. Tak samo jest z ultradźwiękami tyle ich siła (natężenie) zależy od ciśnienia i kształtu nieszczelności. Tym samym możliwe jest wykrywanie nieszczelności także na odległość.
Każda technologia ma swoje ograniczenia i aby się nią dobrze posługiwać trzeba je znać. Rozprzestrzenianie się dźwięku może być tłumione przez różne elementy dlatego technologia nie sprawdzi się jeżeli instalacja będzie osłonięta np. izolacją. Ultradźwiękowy wykrywacz nieszczelności nie reaguje na dźwięk słyszalny czyli hałas na zakładzie. Będziemy natomiast słyszeć ewentualne ultradźwięki, które mogą być generowane przez niektóre urządzenia np. spawarki. Podobnie jednak jak umiemy rozróżnić dźwięki słyszalne tak i tutaj inaczej słychać wyciek (jako syk), a zupełnie inaczej pracę spawarki (jako pisk).
Przeczytaj także: Przewodnik po uzdatnianiu wody szkłem
Jest to wbudowana funkcja wykrywacza, która pozwala ocenić jak duży jest wyciek i ile kosztuje co pomaga przy planowaniu napraw i redukcji zużycia kosztownych gazów lub energii potrzebnej do produkcji sprężonego powietrza. Dzięki kamerze i algorytmowi otrzymujemy natychmiastowy wynik i zapisujemy jako zdjęcie dla osób decyzyjnych. Warto jednak pamiętać, że natężenie dźwięku zależy także od kształtu nieszczelności (dla porównania żeby gwizdać nie wystarczy ciśnienie powietrza z płuc, ale konieczne jest odpowiednie ułożenie ust).
Technologia ultradźwiękowa jest doskonałą metodą do diagnostyki instalacji podciśnieniowych i form próżniowych. Nieszczelność formy prowadzi do nieprawidłowości w wykonaniu produktu, a co za tym idzie do poważnych strat (czasu i środków). Zbiorniki, ładownie, pomieszczenia czy pojazdy mogą być badane pod kątem szczelności przy użyciu ultradźwięków. Wystarczy wewnątrz lub na zewnątrz (w zależności od tego co chcemy badać) umieścić emiter ultradźwięków.
Współczesne działy utrzymania ruchu mają sporo pracy i potrzebują wielu urządzeń więc jeżeli można wiele funkcji połączyć w jednym to praca staje się łatwiejsza. Dlatego w modelu Leakshooter V3T+PRO możliwa jest automatyczna diagnostyka odwadniaczy pary (speratorów kondenstatu), diagnostyka elementów automatyki oraz urządzeń enegetycznych, które emitują ultradźwięki przy pierwszych oznakach uszkodzeń, a także diagnostyka elementów wirujacych (silników, łożysk, wentylatorów) gdzie uszkodzenia we wczesnej fazie powodują powstawanie charakterystycznych ultradźwięków.
Sprężone powietrze jest kilkukrotnie droższą formą energii niż prąd elektryczny, gdyż tylko średnio 10-20% zużytego prądu jest w nie zamieniane. Jakby tego było mało, nawet kilkadziesiąt procent bezpowrotnie ulatuje przez często niewielkie, ale liczne nieszczelności. Według różnych źródeł suma nieszczelności o wielkości 5-6 mm przy ciśnieniu 6-8 barów to roczna strata nawet 100 tys.
Najbardziej zaawansowany wykrywacz ultradźwiękowy na świecie wyposażony w kamerę ze wskaźnikiem miejsca wycieku. Kamera umożliwa precyzyjną lokalizację nieszczelności i wykonanie fotografii, które następnie można wysłać do komputera. Na wyposażeniu znajdują się wysokiej jakości słuchawki, dzięki którym operator słyszy pojawiające się dźwięki. Leakshooter wskazuje nieszczelność poprzez pojawienie się znacznika na ekranie, który robi się coraz mniejszy im większe jest natężenie dźwięku czyli im bliżej nieszczelności jesteśmy. Wbudowane oprogramowanie estymacji kosztu wycieku pozwala na szacowanie kosztu wycieku w trybie rzeczywistym. Dzięki temu można w przybliżeniu określić ile kosztuje rocznie dany wyciek.
Utrzymanie ruchu w zakładach to wyzwanie, które wymaga nie tylko wiedzy i odpowiedniego sprzętu, ale dobrej organizacj czasu. Prawdziwą sztuką jest poprawne ocenianie potencjalnych awarii czyli diagnostyka predyktywna. Wykorzystuje się do tego różne techniki (ultradźwięki, wibracje, termowizja). Oczywiście do każdej możemy posiadać odpowiednie urządzenia tylko ciężko ze wszystkimi jednocześnie poruszać się po zakładzie. Dlatego w podstawowej diagnostyce przydają się urządzenia wielofunkcyjne, które pozwalają na otrzymanie podstawowych danych i ocenę czy trzeba podjąć kolejne kroki wobec danego urządzenia.
Leakshooter V2T+ w wersji IR jest dodatkowo wyposażony w kamerę termowizyjną o typowych parametrach używanych w codziennej eksploatacji. Leakshooter V3T+PRO to praktyczne wielofunkcyjne urządzenie do diagnostyki predyktywnej (poszukiwania usterek, wycieków i awarii we wczesnych stadiach). Leakshooter V3T+PRO posiada te same właściwości co wersja V2T+, ale został dodatkowo wyposażony w oprogramowanie STRAPSHOOTER umożliwiające diagnostykę i ocenę stanu odwadniaczy pary.
Energia w formie pary jest stosowana w wielu zakładach. Odwadniacz pary, pułapka parowa, separator parokondensatu, zawór odwadniający to niektóre popularne nazwy odwadniaczy czyli urządzeń, których zadaniem jest usunięcie kondensatu (skroplin) z układu pary. Usuwanie kondensatu ma istotne znaczenie dla utrzymania jakości pary wodnej, zapobieganie stratom pary oraz pojawianiu się uderzeń wodnych (ang. water hammer). Oprogramowanie pozwala na szybką i automatyczną diagnostykę stanu pracy odwadniacza.
Filtracja Przemysłowa Powietrza
Filtracja przemysłowa powietrza polega na usuwaniu cząstek stałych, zanieczyszczeń i innych niepożądanych składników z powietrza w środowisku przemysłowym. Jest to kluczowy proces w wielu branżach, aby zapewnić jakość powietrza oraz bezpieczeństwo pracowników. W odróżnieniu od filtracji tzw. procesowej ten dział filtracji dotyczy sytuacji, gdy filtrowane medium (np. sprężone powietrze) nie ma bezpośredniego kontaktu z produktem, natomiast tutaj to filtrowane medium jest przeznaczone jedynie do zasilania elementów wykonawczych, zaworów i np. napędów w instalacji.
Klasy Filtracji i Standardy
Klasa filtracji odnosi się do zdolności filtra do separacji cząstek o określonym rozmiarze. Na przykład filtry HEPA są klasyfikowane do usuwania 99,97% cząstek o wielkości 0,3 mikrometra. Norma ISO 8573, oznaczająca daną klasę czystości w formie 3 cyfr (np. 2.4.2) i zawierająca wytyczne dotyczące klasyfikacji / jakości sprężonego powietrza, określa czystość gazu odnoszącą się do kolejno : zawartości resztkowej cząstek stałych, wody i oleju. Filtr HEPA usuwa 99,97% cząstek o wielkości 0,3 μm, podczas gdy filtr ULPA usuwa co najmniej 99,999% cząstek o wielkości 0,12 μm.
Zastosowanie Filtracji w Przemyśle
Filtracja jest stosowana w wielu branżach, takich jak farmaceutyczna, spożywcza, elektroniczna, chemiczna, motoryzacyjna i wielu innych. Praktycznie wszędzie tam, gdzie nośnikiem energii jest sprężone powietrze, ten typ filtrów (w połączeniu z osuszaniem) jest powszechnie stosowany jako podstawowa metoda zapewnienia właściwej jakości w instalacji.
Częstotliwość Wymiany Filtrów
Częstotliwość wymiany zależy od rodzaju filtra, stopnia zanieczyszczenia powietrza oraz wymagań konkretnego procesu. Należy regularnie monitorować filtry i wymieniać je zgodnie z zaleceniami producenta lub gdy zauważalne jest spadki efektywności. Zwykle producenci zalecają wymianę elementów filtracyjnych przynajmniej 1x/rok.
Potencjalne Konsekwencje Zaniedbań
Mogą one obejmować naruszenie norm jakości powietrza, ekspozycję pracowników na szkodliwe substancje oraz korozję urządzeń w instalacji i potencjalne uszkodzenie sprzętu i produktów oraz obniżenie wydajności np. linii produkcyjnej.
Standardy i Normy
Standardy te różnią się w zależności od kraju i branży. Wiele krajów opiera się na normach ISO lub lokalnych standardach jakości powietrza. Bazowym standardem jakości w państwach Unii Europejskiej jest norma ISO 8573.
Efektywność Filtracji
To miara określająca, jak skutecznie filtr usuwa cząstki z powietrza. Wyrażana jest zwykle w procentach na podstawie obliczenia ilorazu pomierzonej podczas badań ilości cząstek obecnych przed- oraz za konkretnym filtrem, przy uwzględnieniu właściwości (rozdzielczości) jego materiału filtracyjnego.
Materiały Filtracyjne
Do najczęściej używanych materiałów należą włókna szklane, poliestry, celuloza, węgiel aktywowany oraz różne mieszanki syntetyczne.
Wpływ Wilgotności na Skuteczność Filtracji
Tak, wysoka wilgotność może wpłynąć na skuteczność niektórych typów filtrów, zwłaszcza tych, które są biodegradowalne lub higroskopijne.
Metody Testowania Filtrów
Najczęstsze metody to testy oparte na fizycznym zliczaniu przez miernik ilości cząstek stałych, testy przepuszczalności, spadku ciśnienia.
Filtracja Koalescencyjna
To technika używana do usuwania kropelek wody i oleju z powietrza. Materiał filtracyjny koalescencyjny wymusza zjawisko zderzania się cząsteczek wody/oleju wprowadzanych do filtra w postaci aerozolu, powodując ich łączenie i tworzenie większych kropli (przy przechodzeniu przez materiał filtracyjny), które są łatwiejsze do usunięcia (zwykle grawitacyjnie krople spływają do dolnej części obudowy filtra).
Prędkość Przepływu Powietrza
Zbyt wysoka prędkość może prowadzić do zmniejszenia skuteczności filtracji i potencjalnych uszkodzeń / utraty integralności materiału filtracyjnego.
Wymiana vs. Czyszczenie Filtrów
Niektóre filtry są zaprojektowane do mycia i wielokrotnego użytku, ale większość wymaga wymiany po osiągnięciu maksymalnej pojemności zanieczyszczeń, zwykle niezbędna jest wymiana elementów filtracyjnych 1x /rok.
Konsekwencje Zatkanego Filtra
Może to prowadzić do niewystarczającej filtracji, szybszego zużycia filtra, większego oporu przepływu oraz (zależnie od zastosowania) potencjalnych problemów zdrowotnych dla pracowników.
Technologie Monitorowania Stanu Filtrów
Do najpopularniejszych technologii należą sensory ciśnienia, sensory przepływu, czujniki pyłu oraz manometry różnicowe. Różnica ciśnień, często nazywana oporem przepływu, jest wskaźnikiem obciążenia filtra. Zbyt duża różnica wskazuje na zatkanie filtra lub jego nadmierne zużycie. Monitoring różnicy ciśnień jest kluczowy dla optymalnej eksploatacji filtrów.
Średnica Aerodynamiczna Cząstek
Jest to rozmiar cząstki, który opisuje jej zachowanie podczas przepływu przez powietrze. Pomaga to w dobieraniu filtrów w celu skutecznego usunięcia określonych rozmiarów cząstek.
Grubość Materiału Filtracyjnego
Grubsze materiały mogą mieć większą pojemność zatrzymywania cząstek, ale mogą również powodować większy opór przepływu. Wybór typu zależy od wymagań danej aplikacji.
Filtracja Powierzchniowa vs. Wgłębna
Filtracja powierzchniowa polega na zatrzymywaniu cząstek na powierzchni filtra, podczas gdy filtracja wgłębna zachodzi w całej objętości medium filtracyjnego, co pozwala na większą pojemność zatrzymywania zanieczyszczeń i skuteczniejszą separację.
Porowatość Filtra
Filtr o niskiej porowatości może skuteczniej usuwać mniejsze cząstki, ale również może prowadzić do szybszego zatkania i większego oporu przepływu.
Wpływ Temperatury i Wilgotności na Filtry Węglowe
Tak, wysoka temperatura może zmniejszyć zdolność adsorpcji węgla aktywnego, a wysoka wilgotność może prowadzić do szybszego nasycenia węgla, co wpływa na jego skuteczność w usuwaniu gazów. Filtry z elementami filtracyjnymi węglowymi instaluje się za filtrami wstępnymi, osuszaczem i filtrami dokładnymi.
Metody Czyszczenia Filtrów
Niektóre techniki obejmują oczyszczanie w myjkach ultradźwiękowych, odwrócone przepływy powietrza, mycie chemiczne oraz termiczne regeneracje, w zależności od typu i zastosowania filtra.
Filtry Wielowarstwowe
Filtry wielowarstwowe mogą połączyć różne media filtracyjne, oferując bardziej wszechstronne usuwanie zanieczyszczeń, dłuższą żywotność i lepszą efektywność.
Początkowa Skuteczność Separacji (PSE)
PSE jest miarą skuteczności filtracji w odniesieniu do różnych rozmiarów cząstek. Pokazuje, jak dobrze jeden kompletny filtr radzi sobie z usuwaniem cząstek o konkretnych rozmiarach.
Czynniki Wpływające na Dobór Filtrów
Do głównych czynników należą: rodzaj i wielkość cząstek do usunięcia, wymagania dotyczące efektywności filtracji, temperatura i wilgotność środowiska, a także chemikalia obecne w powietrzu oraz ograniczenia dotyczące materiałów niedopuszczonych do stosowania w danej fabryce (np. w elektronice, lakiernictwie).
Podsumowanie
Główną przyczyną problemów związanych z napowietrzaniem instalacji stanowi obecność azotu. Jego zwiększona ilość w wodzie grzewczej prowadzi do obniżenia efektywności przewodzenia ciepła, co wypływa też na podwyższone koszty zużycia energii. Obecność tlenu, który jest gazem bardzo aktywnym chemicznie, wspomaga z kolei rozwój bakterii i przyspiesza procesy korozyjne. Dwutlenek węgla również może być szkodliwy pod względem przemysłowym i technicznym, gaz ten odgrywa jednak kluczową rolę w przemyśle spożywczym. Rozwiązaniem problemu jest dobór właściwej metody uzdatniania wody i odpowiednia profilaktyka.
Zastosowanie naszych urządzeń wpływa pozytywnie na stabilność procesu produkcyjnego, poprawia efektywność energetyczną oraz znacznie redukuje koszty produkcji. Filtracja to skuteczna metoda usuwania mechanicznych zanieczyszczeń, osadów i cząstek organicznych. Dzięki zastosowaniu innowacyjnych technologii, nasze systemy filtracyjne są w stanie usuwać zarówno zanieczyszczenia gruboziarniste, jak i bardzo drobne, o wielkości do 0,05 mikrona. Instalowane przez nas systemy wydłużają żywotność sprzętu i instalacji. Sprzęt do uzdatniania, filtracji i dezynfekcji jest łatwy w konserwacji. Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki Politechniki Krakowskiej przeprowadził badania skuteczności ochrony przemysłowych układów chłodzenia przy zastosowaniu bezchemicznego uzdatniania wody VGT na bazie urządzenia Bauer.
tags: #uzdatnianie #gazów #maszyny #metody
