Water in de industrie


Deze pagina is gebaseerd op: RVO 2015

In vrijwel ieder bedrijf wordt water gebruikt als transportmiddel, koelvloeistof of warmtetransporteur. Een unieke eigenschap van water is de hoge soortelijke warmte in vergelijking met andere vloeistoffen. Dat maakt het een zeer geschikt medium voor opslag van energie in koelings- en verwarmingssystemen. De zuiverste vorm van water is als H2O, zonder aanwezigheid van andere stoffen. In de praktijk komt dit echter niet voor vanwege het oplosvermogen van bijvoorbeeld natuurlijke mineralen en lucht. Hierdoor is het vaak noodzakelijk om de samenstelling van water zodanig aan te passen dat het geschikt is voor bepaalde toepassingen in de industrie.

Water wordt in de industrie gebruikt als:
• Spoelwater
• Ketelvoedingswater (in stoominstallaties)
• Koelwater
• Proceswater (water dat in contact komt met reactanten en (bij)producten)

Iedere toepassing vraagt zijn specifieke waterkwaliteit. Voor spoelwater volstaat vaak drinkwaterkwaliteit, behalve in de voedings- en genotmiddelenindustrie en in de farmaceutische industrie, waar een hogere zuiveringsgraad wordt vereist. De gewenste kwaliteit en eigenschappen van het water voor een bepaalde toepassing in de industrie worden bereikt door het op een specifieke manier te behandelen.

Tabel 1 geeft een overzicht van verschillende typen water, waarbij de geleidbaarheid is aangegeven als maat voor de waterkwaliteit, c.q. zuiverheid.


Type water Geleidbaarheid (µS/cm) Noot
Regenwater 30 - 60 Ruraal – stedelijk/industrieel gebied
Drinkwater 300 - 700 Afhankelijk van drinkwaterbedrijf
Grondwater 200 - 1500 Afhankelijk van locatie
Koelwater bij open koeltoren circa 1000 Richtwaarde voor spuien
Zeewater 54000 Afhankelijk van locatie
Tabel 1. Verschillende typen water met karakteristieke geleidbaarheid (uitgedrukt in micro-Siemens per cm)

Waterinname


Bedrijven moeten water innemen om te kunnen produceren. De beschikbaarheid en de kwaliteit van het ingenomen water worden bepaald door de lokale omstandigheden. Meestal is een drinkwateraansluiting aanwezig voor de watervoorziening. Afhankelijk van de geografische locatie kan ook grondwater en/of oppervlaktewater worden ingenomen.

Levering door drinkwaterbedrijven: Drinkwaterbedrijven leveren tot “voor de deur”. Drinkwater is vrij van zwevende stof en is van consumptieve kwaliteit. De kwaliteit is (per leverancier) redelijk constant en de temperatuurverschillen zijn gering. Voor het toepassen van drinkwater als proceswater is meestal een extra waterbehandeling nodig om tot de gewenste, hogere kwaliteit te komen.
Drinkwater is, tot op zekere hoogte, in iedere gewenste hoeveelheid beschikbaar. De innameprijs, vaak gekoppeld met de in te nemen hoeveelheid, is relatief hoog. In sommige gebieden biedt het drinkwaterbedrijf ook alternatieve waterkwaliteiten aan die, afhankelijk van de kwaliteit, goedkoper of juist aanzienlijk duurder zijn dan drinkwater.
Inname van oppervlaktewater (rivier, kanaal, meer, eventueel zee): Oppervlaktewater wordt in het algemeen gebruikt als koelwater. De samenstelling en beschikbaarheid van oppervlaktewater is in het algemeen wisselend en seizoensafhankelijk. In de winterperiode bijvoorbeeld, dient rekening gehouden te worden met ijsgang. De hoeveelheid zwevende stof in het ingenomen oppervlaktewater kan sterk worden beïnvloed door variërende stroomsnelheden ten gevolge de effecten van bijvoorbeeld scheepvaart en hoeveelheid neerslag. Inname van oppervlaktewater vraagt een uitgebreid filtersysteem voor het tegengaan van inname van drijvende delen, modder en vissen. Micro-organismen (bacteriën), organisch materiaal en andere fijne deeltjes kunnen vaak bio-fouling veroorzaken, zoals slijmafzettingen en aangroei van mosselen. Hierdoor neemt het koelvermogen van warmtewisselaars af en door een verhoogde stromingsweerstand in het systeem neemt het elektriciteitsverbruik van de koelwaterpompen toe. Periodiek reinigen is noodzakelijk. De frequentie van reinigen wordt verlaagd door het doseren van chemicaliën in de ingaande stroom.
Inname van grond- of bronwater: Het gebruik van grond- of bronwater wordt steeds meer gebonden aan zeer strenge overheidseisen, waardoor de beschikbaarheid voor industriedoeleinden zeer wordt beperkt. Dit geldt in het bijzonder voor laagwaardige toepassingen zoals proceskoeling. Wanneer echter het gebruik is toegestaan, is de lage temperatuur (5 – 10°C) voor koeldoeleinden een voordeel. Vaak bevat grond- of bronwater mangaan- en ijzerverbindingen die hardnekkige afzettingen in de apparatuur kunnen geven. De bruine kleur van bronwater kan bij contact met producten aanleiding tot problemen geven. Daarom moet dit water ontdaan worden van ijzer en mangaan. De klassieke methode hiervoor is beluchten waardoor ijzer en mangaan oxideren tot onoplosbare verbindingen die te verwijderen zijn door filtratie. Alternatief kan het nog anaerobe water met membraantechnologie (nanofiltratie) ontdaan worden van de meeste Fe2+- en Fe3+- en Mn2+- ionen (ijzer en mangaan zijn dan in opgeloste vorm).
Hergebruik van waterstromen: Vaak kunnen bedrijven voor een deel in hun waterbehoefte voorzien door recirculatie van gebruikte waterstromen voor hergebruik. Indien de kwaliteit het toelaat, kan de gerecirculeerde waterstroom direct worden hergebruikt. Voorbeelden hiervan zijn: koelwaterretour, stoomcondensaatretour, hergebruik van productcondensaat en gereinigd afvalwater.

Tabel 2 geeft een overzicht van industriële toepassingen voor verschillende waterkwaliteiten en geeft aan welke waterbehandelingstechnieken worden toegepast om de betreffende waterkwaliteit uit drinkwater te produceren.


Type water Onthard water Demiwater Hoge kwaliteit Zeer hoge kwaliteit en ultra-zuiver
Geleidbaarheid (µS/cm) 5-50 <5 <0,1 <0,05
Ketelvoedingswater Lage druk, <1,5 bar Middendruk, 1,5 – 20 bar Hoge druk, >20 bar Hoge druk-ketels met stoomturbines
Koel/verwarmings-circuits Lage druk systemen n.v.t. n.v.t. Bij kerncentrales
Proceswater (voorbeelden) Voedings-industrie Voedings-industrie Farma-industrie, injectiewater gasturbines Halfgeleiderindustrie, farma-industrie, kritische procesapplicaties
Technologie (uitgaande van drinkwater) Deelbehandeling met ionenwisseling of ultra/nanofiltratie Omgekeerde osmose of ionenwisseling en/of destillatie Omgekeerde osmose en volledige ionenwisseling Omgekeerde osmose en volledige ionenwisseling en polishing behandeling
Tabel 2. Vuistregels voor toepassing van verschillende waterkwaliteiten en bereiding daarvan uitgaande van drinkwater.

Soorten proceswater


Wanneer water voor een specifieke toepassing, onvoldoende van kwaliteit is, kan dit negatieve effecten hebben voor leidingwerk procesinstallaties, voor het product en voor de gezondheid van werknemers (en consumenten van het product). Onvoldoende waterkwaliteit blijkt bijvoorbeeld uit vervuiling door zwevende deeltjes, afzettingen in apparatuur en leidingen, microbiologische vervuiling en corrosie. Het is daarom belangrijk dat voor de specifieke toepassing de juiste waterkwaliteit wordt gebruikt. De meest gangbare waterkwaliteiten voor proceswater zijn (zie ook tabel 2):
• gefiltreerd water
• onthard water / gedeeltelijk onthard water
• demiwater
• condensaat
• gedestilleerd water en ultra-zuiver water.

Waterbehandelingsprocessen
De meest toegepaste waterbehandelingen zijn:
• ionenwisseling
• membraantechnologie
• koelwaterbehandeling
• ketelwaterbehandeling
• stoomcondensaatbehandeling.

Ionenwisseling: Ionenwisselharsen zijn kunststofkorrels waar actieve groepen in zijn aangebracht die de eigenschap hebben om te reageren met in water aanwezige ionen. Afhankelijk van het soort actieve groep worden kationen of anionen uit het water opgenomen en uitgewisseld tegen een ion uit de actieve groep. Vandaar de naam ionenwisselaars, zie ook figuur 1. Wanneer alle actieve groepen zijn bezet met de opgenomen ionen wordt de hars geregenereerd. Door de hoge concentratie van het regenerant worden de opgenomen ionen weer vervangen door actieve ionen en het hars is weer gebruiksklaar. Er bestaan ook harsen die aan één korrel beide groepen verenigen en een gunstig regeneratierendement hebben. Na de regeneratie worden de restanten regenerant en uitgedreven ionen verwijderd door de harskolom te spoelen. Alle reacties zijn evenwichtsreacties. Om tijdens de regeneratie de opgenomen ionen zo goed mogelijk te verdrijven, is een grotere hoeveelheid zout, zuur of loog nodig dan theoretisch vereist is. Hoe groter deze overmaat, hoe lager het regeneratierendement. De hoogte van deze overmaat (meestal 1,1 tot 1,5) bepaalt de slip van ionen door het filter. De overmaat regenerant spoelt meestal weg en wordt niet opgevangen voor hergebruik, maar verdwijnt naar de afvalwaterzuiveringsinstallatie, eventueel via een neutralisatiebassin om sterke pH-fluctuaties van de overmaat regeneranten uit te vlakken, aangezien die de effectiveit van de afvalwaterzuivering negatief beïnvloeden. Een alternatief voor demineralisatie met ionenwisselaars is de toepassing van Omgekeerde Osmose, met eventueel een nageschakeld mengbed voor polishing, zie hierna.

Figuur 1. Ionenwisseling


Membraantechnologie: Bij watersoorten met een hoog zoutgehalte kan het voordeliger zijn om met membraantechnologie te werken. Door snelle technologische ontwikkeling zijn er tegenwoordig veel verschillende membranen beschikbaar, en zijn de betrouwbaarheid en levensduur daarvan sterk toegenomen. Ook is het elektriciteitsverbruik van de voedingspompen van reverse osmose units lager geworden door gebruik te maken van de druk in de brijnstroom bij het aandrijven van de voedingspomp. Hierdoor is een dalende tendens in het energiegebruik waarneembaar, wat toepassing ook aantrekkelijker maakt.
Afhankelijk van de poriëngrootte in de membranen kan een klassering worden opgesteld naar de grootte van de deeltjes die verwijderd kunnen worden, zie tabel 3.


Klasse Deeltjes (µm) Poriën (µm) Voordruk (bar) Toepassing
Microfiltratie >0,08 >0,1 0,1 – 0,3 Ruwwaterzuivering
Ultrafiltratie 0,008 <0,1 3-10 Ruwwaterzuivering/desinfectie
Nanofiltratie 0,0008 <<0.1 10-30 Verwijdert ook 2+ en 3+ ionen
Omgekeerde osmose 0,0004 <<0,1 20-60 Demineralisatie
Tabel 3. Verschillende typen membraantechnologie.

Belangrijk bij membraantechnologie is het voorkomen van vervuiling van de membranen. Regelmatige spoeling en periodieke reiniging met chemicaliën zijn essentieel en dragen daarmee fors bij aan de variabele kosten van membraantechnologie. Luchtspoeling wordt steeds veelvuldiger toegepast als energiezuinige en milieuvriendelijke reinigingsmethode. Micro- en ultrafiltratie worden al veelvuldig ingezet voor de directe reiniging van oppervlaktewater, dat daarna verder kan worden gereinigd voor verschillende toepassingen als proceswater. Soms worden deze technieken gecombineerd met een coagulatiestap om zo de membranen schoner te houden. Er zijn inmiddels ook installaties waarbij in één stap met behulp van nanofiltratie een goede kwaliteit water uit oppervlaktewater wordt geproduceerd voor verdere verwerking tot demi-, ketelvoeding- en proceswater. Het is een energiezuinige techniek met een laag chemicaliëngebruik.

Koelwaterbehandeling: Het koelvermogen van een open koeltoren is direct gerelateerd aan de waterverdampingscapaciteit. Via waterverdamping wordt de warmte afgevoerd wat tot verlaging van de koelwatertemperatuur leidt. Doordat het koelwater in direct contact komt met omgevingslucht, kunnen micro-organismen in het koelwater zich ontwikkelen en bio-fouling in het koelwatersysteem veroorzaken. Om ongewenste groei van micro-organismen tegen te gaan, wordt veelal een biocide toegevoegd. Het meest gebruikte is chloorbleekloog (ook bekend als natriumhypochloriet).Daarnaast worden de opgeloste componenten in het koelwater geconcentreerd bij de onttrekking van water door verdamping. Bij overschrijding van de oplosbaarheidsconcentraties gaan opgeloste zouten over naar een vaste vorm (precipitatie), wat tot scaling (te vergelijken met ketelsteen) leidt. Om vaste afzettingen in het koelsysteem te voorkomen, worden meestal specifieke chemicaliën gedoseerd, zogenaamde inhibitors, die de precipitatie van opgeloste minerale zouten voorkomen of aanzienlijk vertragen. Ook kan het koelwater het materiaal van leidingwerk en apparatuur aantasten en corrosie veroorzaken. Om vervuiling en aantasting van het koelsysteem te voorkomen, dient enerzijds een deel van het koelwater te worden afgevoerd (spuien) en anderzijds worden chemicaliën gedoseerd die bio-fouling, scaling en corrosie tegen gaan. De verliezen door spuien en verdamping worden gecompenseerd door toevoeging van vers suppletiewater.
Ketelwaterbehandeling: Afhankelijk van het type stoomketel (werkdruk, vlampijp- of waterpijpketel) wordt een ketelwaterbehandeling ontworpen. Zoals eerder al vermeld zijn uit het voedingswater de niet gewenste ionen verwijderd en wordt het water vervolgens ontgast (meestal thermisch) om de zuurstof te verwijderen. Na de ontgassing worden de laatste spoortjes zuurstof meestal verwijderd door ze chemisch te binden. Zelfs in het zeer schone ketelwater kunnen op langere termijn nog afzettingen worden gevormd die de warmteoverdracht negatief beïnvloeden, ondanks het periodiek of continu spuien van de ketelinstallatie. Daarom worden er vrijwel altijd specifieke waterbehandelingschemicaliën gebruikt die dispergerende eigenschappen hebben en zo afzettingen van calcium- en ijzerverbindingen tegengaan.
Stoomcondensaatbehandeling: Stoomcondensaat kan zeer corrosief zijn wanneer het geringe hoeveelheden zuurstof en/of koolzuur bevat die via een buffertank of onderweg in het retourleidingsysteem door beluchting zijn opgenomen. Corrosieschade aan de condensaatleidingen en een verhoogd ijzergehalte in het retourstoomcondensaat zijn de gevolgen. Om de invloed van zuurstof te minimaliseren, zijn een goede ontgassing en zuurstofbinding bij het ketelvoedingswater belangrijk. Na het stoomverbruik wordt de temperatuur van het condensaat, over het algemeen, zo hoog mogelijk (bij voorkeur boven 85°C) gehouden, omdat daardoor het energieverlies wordt beperkt (dat geldt echter niet voor elke systeemconfiguratie) en er zo min mogelijk opname van zuurstof plaatsvindt. Daarom zijn goede isolatie en gesloten systemen vereist voor condensaatsystemen.


Bronnen

RVO 2015, Best Practice Proceswater, Rijksdienst voor Ondernemend Nederland, juli 2015. Publicatienummer: RVO-120-1501/RP-DUZA

Laatste wijziging: 23-01-2019
Creative Commons-Licentie
Deze publicatie valt onder een Creative Commons licentie. Zie hiervoor het colofon.