DEVELOPMENT OF ION EXCHANGE MODELS FOR WATER TREATMENT AND APPLICATION TO THE INTERNATIONAL SPACE STATION WATER PROCESSOR

The International Space Station (ISS) requires a substantial amount of potable water for use by the crew. The economic and logistic limitations of transporting the vast amount of water required onboard the ISS necessitate onboard recovery and reuse of the aqueous waste streams. Various treatment technologies are employed within the ISS water processor to render the waste water potable, including filtration, ion exchange, adsorption, and catalytic wet oxidation. The ion exchange resins and adsorption media are combined in multifiltration beds for removal of ionic and organic compounds. A mathematical model (MFBMODEL™) designed to predict the performance of a multifiltration (MF) bed was developed. MFBMODEL consists of ion exchange models for describing the behavior of the different resin types in a MF bed (e.g., mixed bed, strong acid cation, strong base anion, and weak base anion exchange resins) and an adsorption model capable of predicting the performance of the adsorbents in a MF bed. Multicomponent ion exchange ii equilibrium models that incorporate the water formation reaction, electroneutrality condition, and degree of ionization of weak acids and bases for mixed bed, strong acid cation, strong base anion, and weak base anion exchange resins were developed and verified. The equilibrium models developed use a tanks-inseries approach that allows for consideration of variable influent concentrations. The adsorption modeling approach was developed in related studies and application within the MFBMODEL framework was demonstrated in the Appendix to this study. MFBMODEL consists of a graphical user interface programmed in Visual Basic and Fortran computational routines. This dissertation shows MF bed modeling results in which the model is verified for a surrogate of the ISS waste shower and handwash stream. In addition, a multicomponent ion exchange model that incorporates mass transfer effects was developed, which is capable of describing the performance of strong acid cation (SAC) and strong base anion (SBA) exchange resins, but not including reaction effects. This dissertation presents results showing the mass transfer model's capability to predict the performance of binary and multicomponent column data for SAC and SBA exchange resins. The ion exchange equilibrium and mass transfer models developed in this study are also applicable to terrestrial water treatment systems. They could be applied for removal of cations and anions from groundwater (e.g., hardness, nitrate, perchlorate) and from industrial process waters (e.g. boiler water, ultrapure water in the semiconductor industry).

Caracterização de águas do processo e optimização dos consumos de água nos vários circuitos da Petibol, S.A. – Embalagens de Plástico

A empresa Petibol, S.A. – Embalagens de plástico centra-se na produção de embalagens de plástico a partir da matéria-prima Poliestireno Expandido (EPS) e Polipropileno Expandido (EPP). A empresa possui uma preocupação ao nível da qualidade da água e do aproveitamento energético, tendo desta forma surgido a realização do estudo na unidade industrial, com o objectivo de anular e/ou diminuir as possíveis lacunas existentes na unidade industrial. Numa primeira etapa foi realizada uma caracterização global à qualidade da água e à empresa, actualizando-se os esquemas já existentes, contabilizando-se os custos actuais relativamente aos processos no circuito da água (arrefecimento, aquecimento e pressurização), e por fim, efectuou-se um levantamento in loco do circuito de água, relativamente à pressão, temperatura e caudal. Numa fase posterior, foram propostos equipamentos e processos, tendo em vista a colmatação dos problemas identificados, realizando-se um subsequente estudo relativamente aos custos inerentes a esses novos processos. A caracterização à água foi avaliada em diferentes pontos do circuito industrial, tendo-se determinado na Sala de Bombagem que o filtro de areia não possuía as dimensões mais apropriadas, existindo também um problema a nível mecânico associado ao processo de contra-lavagem. Tais factos podem ser a causa da ocorrência de um aumento do teor de sólidos após a passagem na camada filtrante. Relativamente ao amaciador, este deveria amaciar de forma completa a água para alimentação à caldeira, embora se tenha registado à saída do amaciador uma dureza de 21,3 mg/L, denunciando problemas na troca iónica. No que toca à água de alimentação à caldeira, verifica-se a existência de parâmetros que não se encontram de acordo com os critérios enunciados para uma óptima qualidade, sendo eles o pH (10,14), condutividade (363 μS/cm), teor de ferro (1,21 mg/L) e a dureza (16 mg/L). De salientar que somente o teor de cobre, que se encontra em quantidades vestigiais, apresenta-se de acordo com os valores impostos. No que respeita à água da caldeira, esta apresenta parâmetros incompatíveis com os recomendados, sendo eles a condutividade (7350 μS/cm), teor de sólidos dissolvidos (5248 mg/L) e alcalinidade total (780 mg/L). De referir que o valor de pH (11,8) não se encontra de acordo com a aplicação do tratamento “fosfato-pH coordenado”. Em relação aos parâmetros com valores que se encontram dentro dos limites, estes correspondem à dureza (0 mg/L), ao teor de fosfatos (45 mg/L) e teor de sílica (0 mg/L). A água do circuito de arrefecimento foi sujeita a uma análise microbiológica, que corroborou a presença de um biofilme. Um dos problemas enunciados pela empresa, prendia-se com a impossibilidade de descarga, no colector municipal, dos condensados dos compressores, visto apresentarem uma quantidade de óleo de cerca de 43,3 mg/L, equivalente a quatro vezes o valor limite de emissão, de acordo com a legislação municipal. Por fim, o efluente de descarga industrial apresenta um valor de pH (10,3) acima do intervalo permitido por lei (6,0 – 9,0), sendo que a corrente que mais contribui para este acréscimo de pH corresponde à corrente proveniente da água de purga, visto esta apresentar um valor de pH de 12,22. De maneira a contornar os parâmetros enunciados, é proposto a substituição do filtro de areia da Sala de Bombagem, assim como a inserção de um conjunto de medidas de remoção de ferro e desinfecção, sendo a conjugação de arejamento, coagulação, filtração e desinfecção, por parte do hipoclorito, a proposta apresentada. Aos condensados dos compressores é apresentado um sistema de separação, que possibilita a remoção do óleo da água, e uma consequente descarga da mesma. Actualmente, não existe qualquer filtro de areia no circuito de arrefecimento da água, sendo proposto assim esse equipamento, de forma a minorar o desenvolvimento da população microbiana, bem como a permitir uma maior eficiência na transferência de calor na torre de arrefecimento. Relativamente à descarga industrial, é recomendável a colocação de um sistema de regularização automática de pH. A inserção de uma válvula de três vias permite um aproveitamento energético e de água, a partir da confluência da água oriunda dos furos com a água do tanque de água fria, sendo posteriormente alimentada à central de vácuo. No estudo da recuperação energética, um outro equipamento avaliado correspondeu à serpentina, no entanto, verificou-se que a poupança no consumo de gás natural era de apenas 0,005%, o que não se mostrou uma proposta viável. O orçamento de todos os equipamentos é de 11.720,76 €, possibilitando não só um melhor funcionamento industrial, como um menor impacto a nível ambiental. Os custos futuros de funcionamento aumentam em 3,36%, tendo a pressurização um aumento do seu custo em 3,4% em relação ao custo actual, verificando-se um custo anual de 10.781,21€, em relação aos processos de arejamento, coagulação e desinfecção.

Jäähdytykseen ja täyssuolanpoistoon perustuva lauhteen puhdistus soodakattilalaitoksella

Tämän diplomityön oleellisempana tavoitteena oli tutkia ioninvaihtohartsien pitkäaikaista toiminnallista lämpötilakestävyyttä kirjallisuustutkimuksin ja kuormituskokein. Lisaksi työssä optimoitiin taloudellisesti ja teknisesti paras kytkentävaihtoehto soodakattilan lauhteenpuhdistuslaitokselle. Tässä diplomityössä selvitettiin myös soodakattilan ulospuhallusveden sisältämien veden jälkiannostelukemikaalien ja epäpuhtauksien vaikutusta ioninvaihtohartsien vanhenemiseen.; Ioninvaihtohartsien lämpötilakestävyyteen liittyvät koeajot suoritettiin Stora Enso Laminating Papers Oy Kotkan tehtaalla. Koeajoja varten oli erikseen suunniteltu koeajolaitteisto, jossa lauhdenäytettä puhdistettiin patruunasuotimella ja sekavaihtimella. Sekavaihtimessa käytettiin vahvoja anioni- ja kationihartseja. Koeajoja oli yhteensä neljäkappaletta ja niissä tutkittiin hartsien lämpötilakestävyyttä ja anionihartsin silikaatti-vuodon riippuvuutta lämpötilasta. Lämpötilakestävyyskoeajoissa käytetyt hartsit lähetettiin Rohm and Haasille analysoitavaksi. Lopulta koeajojen tuloksia verrattiin kirjallisuudessa esitettyihin aikaisempiin tutkimuksiin. Lauhteenpuhdistuslaitoksen kytkentävaihtoehtojen optimoinnissa käytettiin apuna Kotkan ja UPM-Kymmene Oyj Pietarsaaren tehtaiden kokemuksia. Kytkentävaihtoehtojen energiataseet laskettiin kuudelle eri laitokselle, joiden syöttöveden virtaukset olivat 37 -180 kg/s. Lisaksi selvitettiin kytkentävaihtoehtojen investointikustannukset ja kertakäyttöhartsien vuotuiset kustannukset laitokselle, jossa syöttöveden virtaus oli 67 kg/s. Ulospuhalluksen talteenottojärjestelmän energiataseet laskettiin kuudelle eri laitokselle, joiden syöttöveden virtaukset olivat 37 - 180 kg/s. Laskelmien lähtökohtana käytettiin kunkin soodakattilan ulospuhallusveden määriä, jotka selvitettiin tehdasvierailujen yhteydessä. Ulospuhallusveden epäpuhtauksien ja jälkiannostelukemikaalien pitoisuudet arvioitiin kattilaveden perusteella. Aikaisempien kokemusten perusteella arvioitiin, että ulospuhallusvesi johdettaisiin lisäveden valmistukseen ennen suolanpoistosarjoja. loninvaihtohartsien kuormituskokeiden ja kirjallisuustutkimusten perusteella oli selkeästi nähtävissä, että etenkin anionihartsin kapasiteetti heikkeni nopeasti lämpötilan ollessa yli 60 °C. Kationihartsin suolanpoistolle kriittinen lämpötilaraja on 100 °C.Lisäksi yli 60 °C:ssa anionihartsi ei pysty poistamaan silikaattia lauhteesta. Seuraavaksi on esitelty lauhteenpuhdistuslaitoksen optimikytkentävaihtoehdot sekä vanhoille että uusille laitoksille. Vanhalle laitokselle, jossa lauhteet on puhdistettu aikaisemmin mekaanisella suotimella ja lisäveden puhdistuksessa on käytetty sekavaihdinta, paras kytkentävaihto on erilliset sekavaihtimet lauhteelle ja lisävedelle. Uudelle ja vanhalle laitokselle, jossa lauhteet on puhdistettu aikaisemmin mekaanisella suotimella ja lisäveden puhdistuksessa ei ole käytetty sekavaihdinta, paras kytkentävaihto on yhteiset sekavaihtimet lauhteelle ja lisävedelle. Lauhteen puhdistuksessa käytetyt sekavaihtimen toimintalämpötila on 45 °C molemmissa kytkentävaihtoehdoissa. Kertakäyttöhartsien käyttö osoittautui suuressa mittakaavassa kannattamattomaksi. Tämä asia tarvinnee kuitenkin jatkotutkimuksia. Ulospuhallusveden talteenotolla saadaan energiasäästöä 6-53 k¤/a riippuenlaitoksesta. Etenkin soodakattilalaitoksissa, joissa soodakattila ja vedenkäsittelylaitos sijaitsevat lähellä toisiaan, kannattaa ulospuhallusvesi johtaa lisäveden valmistukseen. Jos edellä mainittujen laitosten etäisyydet kasvavat, saattavat ulospuhallusjärjestelmän investointi-kustannukset nousta kohtuuttoman suureksi. Tämä työ osoitti myös, että ulospuhallusveden epäpuhtauksilla ei ole merkittävää vaikutusta kemiallisesti puhdistetun veden laatuun ennen suolanpoistolaitosta ja ioninvaihtohartsien vanhenemiseen.

Kattilaveden kulkeutuminen höyryyn soodakattilassa

Tämän työn tarkoituksena on selvittää, miten höyryn kosteuden erotus toimii Kemijärven Sellun soodakattilassa. Höyryn kosteuden erotuksen toiminta tarkastetaan määrittämällä höyryn kosteus tulistetussa höyryssä. Höyryyn kulkeutuvan kattilaveden määrä määritettiin käyttäen merkkiaineena natriumia, jota kulkeutuu höyryyn kattilavesipisaroiden sekä ruiskutusveden mukana. Pieniä määriä kulkeutuu myös haihtumalla, mikä on otettu laskuissa huomioon. Kattilaveden ja höyryn natriumpitoisuuksien suhteen perusteella lasketaan kosteusprosentti. Kattilaveden kulkeutuessa höyryyn kulkeutuu veden mukana myös epäpuhtauksia, jotka turbiiniin joutuessaan saattavat aiheuttaa korroosiota sekä kerrostumia turbiinin siivistössä. Kosteuden erotuksen parantamiseksi on esitetty muutosehdotus siten, että nykyinen poimulevyerottimilla toteutettu sekundäärierotus korvattaisiin uudella teräsverkkoerottimella. Tällöin pystyttäisiin poistamaan entistä pienempiä pisaroita ja vähentämään höyryyn kulkeutuvan kattilaveden määrää.

Soodakattilan vesi-höyrykierron simulointi

Työssä tutkitaan soodakattilan vesi-höyrykierron laskentaa APROS-simulointiohjelman avulla sekä mahdollisuutta rakentaa soodakattilalle oma mallikirjasto. Lisäksi tarkasteltiin mahdollisuuksia räätälöidä APROS:ista yrityksen omaa tarvetta vastaava simulointiohjelma. Kirjallisuusosuudessa esitellään soodakattilan rakenne pääpiirteittäin sekä APROS-simulointiohjelman ja Nowa-kiertolaskuohjelman laskentaperusteet. Tässä osuudessa kerrotaan myös yleisesti ohjelmien sisällöstä, rakenteesta sekä niiden käytöstä. Työn kokeellisessa osassa on kerrottu soodakattilan vesi-höyrykierron mallinnuksesta APROS:in avulla sekä mallikirjaston luomisen perusteet. Lisäksi tässä osuudessa kerrotaan alimallien tekemisestä ja niiden tarpeellisuudesta sekä simuloinnin ongelmakohdista. Työstä saatujen tulosten perusteella dynaamisen simuloinnin ja mallikirjaston avulla saadaan kiertolaskuja laskettua helposti ja luotettavasti. Alimallikirjastoa ylläpitämällä nopeutetaan kiertolaskuvariaatioden tekoa huomattavasti.

Voimalaitoksen palamisilman esilämmittimen sisäpuolisen korroosion hallinta pinta-aktiivisten amiinien avulla

Useat voimalaitokset käyttävät hiiliteräksistä valmistettuja palamisilman esilämmittimiä, joissa höyrykattilan palamisilmaa lämmitetään matalapainehöyryllä. Joissakin tapauksissa esilämmittimet ovat kärsineet sisäpuolisen korroosion aiheuttamista putkirikoista. Tämän työn tavoitteena oli selvittää korroosiovaurioiden aiheuttajat ja tarkastella eri keinoja uusien korroosiovaurioiden ehkäisemiseksi. Keskeisimpänä uusien vaurioiden ehkäisykeinona tarkastellaan pinta-aktiivisia amiineja sisältäviä höyrykattilan jälkiannostelukemikaaliseoksia, joista tarkemman tarkastelun kohteena on kaupallinen Helamin 90 H Turb- kemikaaliseos. Pääasialliseksi korroosion aiheuttajaksi on usein epäilty höyryn sisältämää hiilidioksidia. Uusimpien näkemysten mukaan orgaaniset hapot, pääasiassa etikka- ja muurahaishappo ovat kuitenkin hiilidioksidia voimakkaampia korroosion aiheuttajia ilmanesilämmittimissä. Orgaaniset hapot väkevöityvät höyryn lauhtumisen alkaessa muodostuviin lauhdepisaroihin ja alentavat pH-tasoa radikaalisti. pH-tason aleneminen nopeuttaa metallipintoja suojaavan magnetiitin liukenemista ja vaikeuttaa myös sen uusiutumista. Orgaanisia happoja ja hiilidioksidia muodostuu orgaanisten aineiden osittaisessa hajoamisessa höyrykattilan vesi-höyrypiirissä. Pääasialliset orgaanisten aineiden lähteet ovat lisäveden mukana kattilaan kulkeutuva luonnon orgaaninen aines ja käytetyt orgaaniset jälkiannostelukemikaalit. Orgaanisten aineiden kuormaa voidaan pienentää parantamalla lisäveden valmistusprosessin orgaanisten aineiden erotustehokkuutta esimerkiksi käänteisosmoosilla. Mikäli lisäveden laadun parantaminen ei ole järkevästi toteutettavissa, voidaan orgaanisten jälkiannostelukemikaalien oikeanlaisella käytöllä neutraloida orgaanisten happojen vaikutus ilmanesilämmittimissä. Tehokkaimmaksi korroosion hillitsijäksi suoritettujen mittausten perusteella osoittautuivat kemikaaliseokset, jotka sisältävät alkaloivien amiinien lisäksi kalvoa muodostavaa pinta-aktiivista amiinia.

Voimalaitosten kattilaputkien sisäpuolisten kerrostumien paksuuden mittaaminen ultraäänimenetelmällä

Höyryvoimalaitoksen käyttöönotossa muodostuu kattilaputkien sisäpinnoille niitä korroosiolta suojaava ohut metallioksidikerros. Tämän kerroksen päälle kasvaa kattilan käytön aikana haitallista kerrostumaa paikallisen korroosion tai kattilavedessä olevien epäpuhtauksien kerääntymisen tai kiteytymisen seurauksena. Kerrostuma haittaa lämmönsiirtoa tulipesästä putkiseinämän läpi kattilaveteen. Putkien lämpötilan nousu suunniteltua korkeammaksi kasvattaa putkivaurioiden ja sisäpuolisen korroosion riskiä. Tästä johtuen paksuksi kasvaneet kerrostumat pyritään poistamaan happokäsittelyllä eli peittauksella ennen vaurioiden syntyä. Perinteisesti kerrostumapaksuus on määritetty kattilasta irrotetuista näyteputkista mikroskoopilla. Työn tavoitteena oli tutkia uudenlaisen ultraäänimittauksen teoriaa ja selvittää sen toimivuus höyrystinputkien kerrostumapaksuusmittauksissa. Lisäksi tavoitteena oli tutkia voimalaitoksen höyrystimen sisäpuolisten kerrostumien muodostumista ja niiden vaikutuksia sekä kattilan peittaustarpeen arviointia. Höyrystimen kerrostumien kasvunopeuteen vaikuttavat eniten voimalaitostyyppi, käytetty vesikemia ja kattilaveteen kulkeutuvien epäpuhtauksien määrä. Kasvunopeus vaihtelee laitosten välillä suuresti ja eroaa myös tulipesän eri kohdissa. Kattilaveden epäpuhtauspitoisuus ja kerrostumapaksuus vaikuttavat molemmat korroosiovaurioiden todennäköisyyteen. Peittauspaksuuden ohjearvoissa tulisi huomioida kattilan käyttöpaine, kattilatyyppi ja riski kattilaveden laadun heikkenemiselle. Putkinäytteistä ja laitoksilla suoritettujen mittauksien perusteella uusi ultraäänitekniikka tuottaa luotettavia tuloksia tavanomaisten kerrostumien mittauksessa. Vain yhdellä laitoksella esiintyi irtonaisen sakan kaltaista kerrostumaa, jota mittaus ei kyennyt havaitsemaan. Mittaustulokset kerrostumista tulipesän eri osissa antavat hyvän perustan peittaustarpeen arviointiin.

Modeling of water/steam circulation in Circulating Fluidized Bed boiler

A distinctive design feature of steam boiler with natural circulation is the presence of the steam drum which plays a role of the separator of vapor from the flow of water-and-steam mixture coming into steam drum from the furnace tubes. Steam drum with unheated downcomer tubes, deducing from it, and riser (screen/furnace tubes) inside the furnace is a closed circulation loop in which movement of water (downcomer tubes) and water-and-steam mixture (riser tubes) is organized. The movement of the working fluid is appears due to occurrence of the natural pressure, determined by the difference in hydrostatic pressure and the mass of water and water-and-steam mixtures in downcomer and riser tubes and called the driving pressure of the natural circulation:

Modeling of water/steam circulation in Circulating Fluidized Bed boiler

A distinctive design feature of steam boiler with natural circulation is the presence of the steam drum which plays a role of the separator of vapor from the flow of water-and-steam mixture coming into steam drum from the furnace tubes. Steam drum with unheated downcomer tubes, deducing from it, and riser (screen/furnace tubes) inside the furnace is a closed circulation loop in which movement of water (downcomer tubes) and water-and-steam mixture (riser tubes) is organized. The movement of the working fluid is appears due to occurrence of the natural pressure, determined by the difference in hydrostatic pressure and the mass of water and water-and-steam mixtures in downcomer and riser tubes and called the driving pressure of the natural circulation: S drive = H steam (ρ down + ρ mix) g where: ρ down - density of water in downcomer tubes; ρ mix - density of water in riser tubes; H steam - height of steam content section; g - acceleration of gravity. In steam boilers with natural circulation the circulation rate is usually between 10 and 30. Thus, consumption of water in the circulation circuit “circulation rate times” more than steam output of the boiler. There are two aspects of the design of natural water circulation loops. One is to ensure a sufficient mass flux of circulating water to avoid burnout of evaporator tubes. The other is to avoid tube wall temperature fluctuation and tube vibration due to oscillation of circulation velocity. The design criteria are therefore reduced, in principle, to those of critical heat flux, critical flow rate for burnout, and flow instability. In practical design, however, the circulation velocity and the void fraction at the evaporator tube outlet are used as the design criteria (Seikan I., et. al., 1999). This study has been made with assumption that the heat flux in the furnace of the boiler even all the time. The target of the study was to define the circulation rate of the boiler, thus average heat flux do not change it. I would like to acknowledge professionals from “Foster Wheeler” company for good and comfortable cooperation.

High-power water boiler,

Mode of access: Internet.

Water boiler,

Mode of access: Internet.

Evaluation and performance of once-through, zero-gravity boiler tubes with two-phase water /

"Contract AT(30-1)-2789."

An investigation of the variation in heat absorption in a pulverized coal-fired water-cooled steam-boiler furnace ...

Includes references.

The purification of water for boiler feeding.

Mode of access: Internet.

Organizational direct support, and general support maintenance repair parts and special tools lists : heater, bituminous, trailer mounted, 3 tank car heating capacity, oil-fired steam boiler, gasoline engine, driven feed water pump, NSN 3895-00-062-7912, Cleaver Brooks model PSM 50M.

Includes index.