Tính lượng nhựa làm mềm nước, muối tái sinh và thùng muối

Muốn tính lượng nhựa làm mềm nước, trước hết phải biết tải độ cứng trong một chu kỳ và dung lượng vận hành của đúng loại nhựa ở liều muối đã chọn. Lấy tải chia cho dung lượng sẽ ra thể tích nhựa; lấy thể tích nhựa nhân liều tái sinh sẽ ra lượng muối. Riêng thùng muối cần kiểm tra thể tích dung dịch hút được, lượng muối rắn chiếm chỗ và nước cấp bù. Tôi trình bày từng bước dưới đây, kèm một ví dụ từ tài liệu Samyang để người đọc có thể kiểm lại.

1Làm mềm nước cần chốt chất lượng đầu ra trước khi tính nhựa

Nhựa cation axit mạnh (Strong Acid Cation, viết tắt SAC) ở dạng natri trao đổi ion canxi và magie trong nước lấy ion natri trên nhựa. Khi dung lượng làm việc đã dùng đến giới hạn đặt trước, dung dịch natri clorua (sodium chloride, công thức NaCl) được đưa qua lớp nhựa để tái sinh. Đây là làm mềm nước; nếu cần loại cả các ion hòa tan khác, xem thêm bài khử khoáng bằng nhựa trao đổi ion. [1]

Tôi bắt đầu bảng tính bằng năm thông tin:

• Lưu lượng thực sự qua cột, gồm mức bình thường và mức cao nhất, tính bằng mét khối mỗi giờ (m³/h).
• Lượng nước cần xử lý giữa hai lần tái sinh, tính bằng mét khối (m³).
• Độ cứng toàn phần và mức dao động của nước cấp, tính bằng miligam trên lít (mg/L) quy về canxi cacbonat (calcium carbonate, công thức CaCO₃).
• Độ cứng tối đa cho phép ở đầu ra và phương pháp đo đủ nhạy để kiểm tra mức đó.
• Thành phần nước cấp, nhiệt độ, loại nhựa, cách tái sinh và khả năng dừng cấp nước khi tái sinh.

Chỉ tiêu nước cấp nồi hơi phải lấy theo yêu cầu của thiết bị và tiêu chuẩn áp dụng cho chính hệ đó. Không dùng một ngưỡng độ cứng chung để kết luận mọi nồi hơi đều đạt. Dung lượng và độ cứng rò còn phụ thuộc thành phần nước, liều muối, tốc độ dòng và chiều sâu lớp nhựa. [1]

2Đổi độ cứng về đương lượng rồi tính tải của cả chu kỳ

Để tránh nhầm đơn vị, tôi dùng đương lượng (equivalent, ký hiệu eq) để biểu diễn lượng điện tích trao đổi. Một miliđương lượng trên lít (milliequivalent per litre, meq/L) bằng một đương lượng trên mét khối (eq/m³). Với độ cứng quy về CaCO₃:

Độ cứng (eq/m³) = độ cứng (mg/L tính theo CaCO₃) ÷ 50.

Trong phép đổi này, 50 g CaCO₃ tương ứng một đương lượng; còn 1 mg/L bằng 1 g/m³. Chẳng hạn, 120 mg/L tính theo CaCO₃ tương ứng 120 ÷ 50 = 2,4 eq/m³. [2]

Nếu lưu lượng không đổi:

Lượng nước mỗi chu kỳ (m³) = lưu lượng (m³/h) × thời gian chạy (h).

Tải độ cứng mỗi chu kỳ (eq) = lượng nước mỗi chu kỳ (m³) × độ cứng (eq/m³).

Nếu lưu lượng hoặc độ cứng thay đổi theo ca, tính tải từng khoảng rồi cộng lại. Cùng một lượng nước nhưng độ cứng tăng thì nhựa sẽ hết dung lượng sớm hơn. Khi lập mức chuyển tái sinh, phải tính cả phần nước vẫn tiêu thụ từ lúc có tín hiệu yêu cầu tái sinh đến lúc cột thực sự ngừng phục vụ. [1, 5]

3Chọn dung lượng vận hành theo liều muối và điều kiện nước cấp

Dung lượng tổng (total exchange capacity) thể hiện số vị trí trao đổi của nhựa. Dung lượng vận hành (operating capacity) là phần sử dụng được trong điều kiện tái sinh và giới hạn chất lượng đầu ra đã chọn. Chẳng hạn, nhựa Purolite C100 có dung lượng tổng tối thiểu 2,0 eq/L nhựa; không thể lấy thẳng con số này để tính lượng nước giữa hai lần tái sinh. [3]

Theo trình tự thiết kế trong sổ tay DuPont, cần chọn liều muối đáp ứng độ cứng rò cho phép, đọc dung lượng vận hành rồi hiệu chỉnh theo nước cấp, nhiệt độ, thành phần natri, điểm kết thúc chu kỳ, lưu lượng và chiều sâu lớp nhựa. Các hệ số phải lấy từ đúng bộ đồ thị của loại nhựa đang tính. [1]

Thể tích nhựa (L) = tải độ cứng mỗi chu kỳ (eq) ÷ dung lượng vận hành đã hiệu chỉnh (eq/L nhựa).

Nếu thiết kế có hệ số bổ sung hoặc dung lượng dự trữ, ghi rõ cách áp dụng. Tránh vừa giảm dung lượng vận hành vừa cộng thêm nhựa cho cùng một khoản dự phòng mà không kiểm tra lại. Đặc biệt, dung lượng đọc ở một liều muối phải đi cùng liều đó trong phép tính tái sinh; không lấy dung lượng ở liều cao rồi tính tiêu hao muối ở liều thấp. [1]

4Ví dụ KH-80: từ tải độ cứng đến 1.200 L nhựa và 108 kg muối

Ví dụ này theo tài liệu kỹ thuật TRILITE KH-80 của Samyang, mục Engineering Data & Calculation Example, trang 8-13. Các điều kiện cần giữ cùng kết quả gồm:

Độ cứng toàn phần bằng 100 + 20 = 120 mg/L tính theo CaCO₃. Từ đồ thị của KH-80, tài liệu xác định liều muối 90 g NaCl/L nhựa và dung lượng sau hiệu chỉnh là 54,2 g CaCO₃/L nhựa. Mức 54,2 đã trừ phần dung lượng dùng cho nước rửa theo cách tính của hãng. Hệ số bổ sung trong ví dụ là 1,05. [2]

1. Đổi độ cứng: 120 ÷ 50 = 2,4 eq/m³.
2. Tính tải chu kỳ: 500 m³ × 2,4 eq/m³ = 1.200 eq.
3. Đổi dung lượng: 54,2 g CaCO₃/L nhựa ÷ 50 g CaCO₃/eq = 1,084 eq/L nhựa.
4. Tính nhựa có hệ số bổ sung: 1.200 eq × 1,05 ÷ 1,084 eq/L = 1.162,4 L nhựa.
5. Chọn lượng nạp theo ví dụ hãng: 1.200 L nhựa.
6. Tính muối: 1.200 L nhựa × 90 g NaCl/L nhựa = 108.000 g = 108 kg NaCl mỗi chu kỳ.

Hệ số 1,05 và dung lượng 54,2 g/L thuộc ví dụ KH-80 này. Khi đổi sang loại nhựa khác hoặc yêu cầu độ cứng đầu ra thấp hơn, phải tính lại từ tài liệu tương ứng. Mức rò trung bình 2 mg/L trong ví dụ cũng không phải cam kết rằng mọi mẫu nước trong chu kỳ đều dưới 2 mg/L. [2]

5Tính thùng muối phải tách nước cấp bù và dung dịch cần hút

Với hệ hút muối bằng bộ hút trộn (injector), thùng có thể giữ dung dịch muối đậm đặc; nước dẫn động pha loãng dòng hút trước khi dung dịch đi vào cột. Vì thế, thể tích dung dịch trong thùng khác tổng lượng dung dịch đi qua nhựa. [6]

Để tính tiếp ví dụ trên, lấy gần đúng dung dịch bão hòa chứa 26% NaCl theo khối lượng, khối lượng riêng 1,20 kg/L. Đây là các giá trị tham khảo ở gần nhiệt độ phòng, cần kiểm lại theo nhiệt độ và nồng độ thực tế. [4]

1. Khối lượng dung dịch đậm đặc cần hút: 108 kg NaCl ÷ 0,26 = 415,4 kg dung dịch.
2. Thể tích dung dịch cần hút: 415,4 kg ÷ 1,20 kg/L = khoảng 346 L.
3. Lượng nước nằm trong phần dung dịch đó: 415,4 − 108 = 307,4 kg nước, xấp xỉ 307 L nếu lấy khối lượng riêng nước bằng 1 kg/L.

Khoảng 307 L là lượng nước cấp bù theo cân bằng lý tưởng cho phần dung dịch đã hút. Nó khác khoảng 346 L dung dịch tạo thành. Mực nước tồn, nồng độ chưa bão hòa và trình tự cấp bù thực tế đều cần đối chiếu khi cài van.

Do riêng lượng dung dịch cần hút đã khoảng 346 L, thùng danh nghĩa 200 L không đáp ứng mẻ tái sinh 108 kg này theo cấu hình một lần hút. Với thùng lớn hơn, vẫn phải trừ phần dung dịch nằm dưới mức hút thấp nhất, phần muối rắn chiếm chỗ và khoảng chống tràn. Không chọn dung tích thùng chỉ bằng thể tích dung dịch vừa tính.

Nếu dung dịch đi vào lớp nhựa ở nồng độ 10% theo khối lượng, 108 kg NaCl tương ứng 1.080 kg dung dịch sau pha loãng. Không đổi 1.080 kg thành 1.080 L nếu chưa xét khối lượng riêng. Đây cũng không phải tổng nước thải tái sinh, vì còn các bước rửa. [2]

Trong bảng cài đặt van, tôi ghi riêng: lượng NaCl mỗi chu kỳ, thể tích hút, nước cấp bù, nồng độ sau bộ hút trộn và thời gian hòa tan theo hướng dẫn thiết bị. Chỉ nhìn thùng còn nhiều muối rắn chưa đủ để biết cột đã nhận đủ muối. [5]

6Kiểm tra thủy lực trước khi chốt kích thước cột làm mềm

Tính đủ dung lượng mới giải quyết phần tải. Cùng một lượng nhựa, cột rộng và thấp sẽ có chiều sâu lớp nhựa khác cột hẹp và cao; tổn thất áp suất, phân phối nước và điều kiện rửa cũng khác. Tôi kiểm tiếp:

• Tốc độ lọc bề mặt (linear velocity), tính bằng m/h: lưu lượng m³/h ÷ diện tích tiết diện cột m².
• Tải thể tích lớp nhựa (bed volumes per hour, BV/h): lưu lượng m³/h ÷ thể tích nhựa m³. Một thể tích lớp nhựa (bed volume, BV) là thể tích nước bằng thể tích nhựa nạp.
• Chiều sâu lớp nhựa và tổn thất áp suất ở nhiệt độ, lưu lượng thiết kế.
• Khoảng trống phía trên lớp nhựa (freeboard) đủ cho độ giãn nở khi rửa ngược, đối chiếu đồ thị ở nhiệt độ nước rửa thấp nhất.
• Khả năng phân phối nước, lưu lượng van và đường xả, khả năng hút muối trong điều kiện áp suất thực.

Trong ví dụ KH-80, tải thể tích 30 BV/h đi cùng 1,2 m³ nhựa tương ứng lưu lượng 36 m³/h. Con số này giúp kiểm lại điều kiện tính; vẫn phải chọn tiết diện và chiều sâu cột phù hợp trước khi chốt thiết bị. [2]

Đừng dùng một dải tốc độ hay tỷ lệ chiều cao trên đường kính cho mọi loại nhựa. Sổ tay DuPont yêu cầu hiệu chỉnh dung lượng theo tốc độ dòng và chiều sâu lớp nhựa, sau đó lặp lại việc chọn hình học cột. [1]

7Độ cứng rò sớm cần kiểm chu kỳ, đường hút muối và nước cấp

Nếu độ cứng tăng chủ yếu ở cuối chu kỳ, kiểm lại độ cứng đầu vào, lượng nước đã qua cột và phần dự trữ trước khi cột chuyển tái sinh. Nếu tái sinh xong mà độ cứng vẫn cao, kiểm đường nước đi tắt, bộ phân phối, lượng dung dịch hút được, nồng độ và thời gian tiếp xúc. Đây là trình tự khoanh vùng nguyên nhân, chưa đủ để kết luận phải thay nhựa. [5]

Đối với tái sinh trễ, phần dự trữ phải đáp ứng lượng nước dùng trong thời gian chờ. Hệ hai cột luân phiên giúp duy trì cấp nước khi một cột tái sinh, nhưng vẫn phải kiểm tra đủ lưu lượng, thời gian hoàn tất tái sinh và chất lượng nước của cột sắp đưa vào phục vụ.

Nước có sắt hoặc cặn cần xem lại tiền xử lý. DuPont lưu ý cấp nước sạch để hạn chế bám bẩn nhựa và thiết bị; nước có hàm lượng sắt cao cần biện pháp xử lý phù hợp trước làm mềm, đồng thời hạn chế clo dư cao để kéo dài tuổi thọ nhựa. Không quy mọi vấn đề sắt, mangan về một hệ số cộng độ cứng rồi xem như đã giải quyết được bám bẩn. [1]

Tôi sẽ chốt mức chuyển tái sinh bằng cả tính toán và kết quả đo sau chạy thử. Hồ sơ vận hành nên ghi lượng nước mỗi chu kỳ, độ cứng trước và sau cột, lượng muối tiêu thụ, nước cấp bù và diễn biến áp suất. Các số đó giúp phân biệt thiếu dung lượng với tái sinh chưa đạt.