кварк_логотипконтактная информация
Каталог продукции (а-я)
Полезная информация
О компании
Наши клиенты
Get Adobe Flash player
 

Скачать данную статью в формате Adobe Acrobat (.pdf)
 

Традиционный способ деаэрации

Традиционным способом удаления из воды всех растворенных в ней газов, нашедшим широкое распространение в энергетике, является термическая или диффузионная десорбция.

Сущность десорбции заключается в процессе установления равновесия между жидкой и парогазовой фазами в соответствии с законом Генри, согласно которому концентрация растворенного газа пропорциональна парциальному давлению этого газа над поверхностью жидкости [2].

Концентрация растворенного в воде газа выражается уравнением:

Сг= Кг×Рг= Кгобщ – Р – SРост),                                                   (1)

где Сг – концентрация растворенного газа;

Кг – коэффициент адсорбции газа водой;

Рг –  парциальное давление газа;

Робщ – общее давление парогазовой среды;

Р – парциальное давление водяного пара;

SРост – суммарное парциальное давление остальных газов в парогазовой среде.

Таким образом, основным условием удаления газа из воды путем десорбции является снижение его парциального давления над водой. Добиться этого можно как снижением общего давления парогазовой смеси над водой (при Робщ®0, также Рг®0), так и уменьшением парциального давления данного газа. На практике в последнем случае снижение Рг газа достигается увеличением парциального давления  водяных паров (Р®Робщ) над поверхностью воды и постоянным отводом газа из рабочего объема деаэрационного аппарата с выпаром.

Теоретически содержание газа в воде соответствует закону Генри только в равновесных условиях. Движущей силой процесса десорбции является разность между фактической концентрацией газа в воде и его равновесной концентрацией, соответствующей парциальному давлению в парогазовой среде. Скорость десорбции газа из воды в общем виде выражается уравнением:

 = (Cг – С) × F× k,                                                              (2)

где Сг – концентрация удаляемого газа в данный момент времени;

t – время;

С – равновесная концентрация, соответствующая парциальному давлению этого газа над водой;

F – удельная поверхность раздела фаз;

k – коэффициент пропорциональности, зависящий от характерного  диффузионного пути (расстояния для выхода газа из жидкости в парогазовое пространство).

Очевидно, что парциальному давлению Рг=0 соответствует концентрация С=0. Приняв в уравнении (2) С=0, разделив переменные и проинтегрировав для концентрации газа в пределах от Сг до 0, а для времени от 0 до Т, получим:

= k·F·dτ         или     k·F·Т= ¥                                             (3)

Так как  k·F – величина конечная и положительная, то Т®¥. Отсюда следует, что даже при Рг = 0 невозможно полное удаление газа, поэтому на практике приходится ограничиваться остаточным содержанием газа в деаэрируемой воде.

Помимо этого, диффузионный по своему механизму процесс удаления газов из воды существенно замедляется при низких остаточных концентрациях. Так, в кипящей в открытом сосуде при атмосферном давлении воде концентрация кислорода через 5 минут после начала кипения составляет 100 мкг/л, т.е. примерно в 120 раз меньше начального значения, а через 20 минут – 17 мкг/л [8]. Не трудно подсчитать, что по мере роста глубины газоудаления, его скорость за 25 минут замедлилась в 82 раза.

Из вышеизложенного очевидно, что в общем случае эффект дегазации можно повысить одним из следующих способов либо их сочетанием:

  • увеличением температуры деаэрируемой воды;
  • увеличением удельной поверхности раздела фаз;
  • увеличением времени взаимодействия фаз в процессе деаэрации.

Наиболее существенно на эффект деаэрации влияет повышение температуры воды, что обусловлено ростом скорости десорбции по водяной фазе и снижением парциального давления газа из-за увеличения давления пара.

Повышение температуры проявляется в следующих факторах:

  • увеличивается давление пара и количество выпара, что приводит к снижению равновесной концентрации газа С (ф-ла 2) и его относительного парциального давления;
  • увеличивается коэффициент диффузии газа в воде (входит в параметр k ф-лы 2);
  • уменьшается коэффициент адсорбции газа водой (уменьшается С).

Именно вследствие положительного комбинированного воздействия повышения температуры на процесс дегазации широкое применение нашли термические деаэраторы, которые в соответствии со стандартом [1] делятся на следующие группы:

  • деаэраторы повышенного давления с абсолютным рабочим давлением 0,6-1,0 МПа;
  • деаэраторы атмосферного давления с абсолютным рабочим давлением 0,11-0,13 МПа;
  • вакуумные деаэраторы с абсолютным рабочим давлением 0,015-0,08 МПа.

Термические деаэраторы предназначены для удаления из жидкости растворенных коррозионно-активных газов в системах питания паровых и водогрейных котлов, подготовки подпиточной воды тепловых сетей, удаления растворенного воздуха в технологических циклах пищевых, фармацевтических, нефтехимических производств, а также в иных технологических схемах, в которых требуется деаэрация жидкости.

Реализованная в атмосферных деаэраторах схема дегазации работает при давлении, близком к атмосферному (~0,12 МПа) и конечной температуре воды порядка 102¸104 оС. Наиболее эффективный двухступенчатый атмосферный деаэратор состоит из деаэрационной колонки (основана на струйно-капельном механизме деаэрации) и барботажной ступени, встроенной в бак-аккумулятор, в которой вода прогревается барботажем (пробулькиванием) пара до температуры порядка 102¸104 оС и выдерживается  достаточно длительное время (~20-40 мин). Выпар из атмосферного деаэратора находится на уровне 2-3 кг на 1 тонну деаэрируемой воды.

Вакуумные деаэраторы, как правило, работают при температурах от 60 до 70 оС и давлениях 0,02¸0,03 МПа. Они отличаются большей материалоёмкостью, чем атмосферные, а также дополнительными энергетическими затратами на создание разрежения и отсос выпара, который составляет 4¸6 кг на 1 тонну обрабатываемой воды. Однако вакуумные деаэраторы зачастую являются единственным решением при организации деаэрации в системах с отсутствием греющего пара, в водогрейных котельных, ЦТП и т.п.

Уровень температуры, при котором производится обработка воды в деаэраторе, особенно влияет на остаточное содержание углекислоты, которая в отличие от кислорода (субмолекулярная форма растворения в воде) может находиться как в форме молекул СО2  и Н2СО3, так и в виде ионов СО32- и НСО3- [13].

Количественное  соотношение между различными формами зависит от рН воды и температуры. Кроме того, разложение бикарбоната NaHCO3 согласно уравнению

2Na HCO3® Na2CO3 + H2O + CO2,                                                   (4)

способствующее выходу диоксида углерода, происходит интенсивно лишь в при температурах свыше 100 оС.

Это обстоятельство важно учитывать при эксплуатации вакуумных деаэраторов, в которых процесс деаэрации происходит при пониженной температуре. Поскольку при этом растворимость газов в воде растет, а коэффициенты массопереноса в жидкой фазе уменьшаются, для достижения необходимой глубины деаэрации интенсивность обработки воды в вакуумных деаэраторах (степень диспергирования, интенсивность барботажа, норма выпара) должна быть намного выше, чем в деаэраторах других типов.

Процесс деаэрации элементарного объема воды в традиционном термическом деаэраторе состоит из следующих стадий:

1-я стадия – нагрев деаэрируемой воды до температуры, близкой к температуре насыщения в струйно-капельной или пленочной (насадочной) ступени деаэратора;

2-я стадия – частичное удаление растворенных газов в струйно-капельной ступени путем молекулярной диффузии;

3-я стадия – перегрев деаэрируемой воды на несколько градусов выше температуры насыщения в барботажной ступени деаэратора;

4-я стадия – перенос газа к границе раздела фаз вода–парогазовая среда в барботажной ступени деаэратора путем турбулентной диффузии;

5-я стадия – удаление газов из рабочего объема деаэратора с выпаром.

Наибольшая интенсивность газоудаления имеет место в барботажной ступени, где реализуется пузырьково-пенный режим взаимодействия пара и деаэрируемой жидкости [14]. Эффективность данного режима, оцененная величиной поверхности взаимодействия фаз, от 3 до 10 раз выше по сравнению со струйно-капельным режимом.

В идеальном деаэраторе для эффективной деаэрации было бы достаточно одной барботажной ступени. Однако это возможно реализовать лишь при постоянном расходе и неизменной температуре деаэрируемой жидкости, близкой к температуре насыщения. Это объясняется тем, что эффективность дегазации в барботажном устройстве в основном зависит от его гидродинамической устойчивости, а гидродинамическая устойчивость, в свою очередь, определяется температурой жидкости, поступающей в деаэраторный бак. Очевидно, что в реальных условиях, когда процессы деаэрации совмещены с процессами предварительного подогрева в самом деаэраторе, а температура и расход деаэрируемой воды колеблются в значительных пределах в зависимости от сезонных и технологических факторов, реализация такого «идеального»  термического деаэратора невозможна. Поэтому для предварительного подогрева воды перед барботажной ступенью применяется струйно-капельная ступень деаэратора (деаэрационная колонка).

Кинетика десорбции в традиционных деаэраторах определяется максимальной разностью между равновесным давлением газа в воде и его парциальным давлением над водой и конструктивно обеспечивается за счет противотока жидкостной и паровой фаз и количества выпара.

Однако, противоток, являющийся определяющим положительным фактором непосредственно для деаэрации, отрицательно влияет на гидродинамическую устойчивость работы струйно-капельной ступени (деаэрационной колонки). Эта ступень, предназначенная в основном для подогрева исходной воды, имеет значительные ограничения по скорости движения фаз (т.е. по количеству греющего пара и выпара) в связи с опасностью влагоуноса в магистраль выпара и возникновения режима захлебывания.

При технологическом изменении режима эти ограничения ведут к недогреву воды в струйной ступени, нарушению гидродинамически устойчивой работы барботажной ступени, гидроударам, проскокам недеаэрированной воды.

Помимо этого, в струйно-капельной ступени происходит интенсивное обратное газонасыщение деаэрируемой воды за счет ее контакта с выпаром, содержащим большое количество коррозионно-активных газов, что также негативно влияет на качество деаэрации.

Таким образом, традиционные термические деаэраторы имеют в своей конструкции неустранимые противоречия, которые отражаются на эффективности и надежности их работы.

Основное физическое ограничение процесса десорбции газа из воды в одноступенчатых термических деаэраторах связано с низкой скоростью диффузионного механизма переноса растворенного газа к межфазной границе вода - парогазовая среда.

Кроме того, совмещение в традиционных термических деаэраторах функции нагрева воды до рабочей температуры и функции непосредственно деаэрации крайне отрицательно воздействует на организацию сложных тепломассообменных процессов, приводит к необходимости использования двухступенчатой компоновки, повышению материалоемкости, усложнению конструкции деаэратора, нестабильности режима, трудности регулирования.

Разделение по аппаратному оформлению функций подогрева и деаэрации в принципе имеет место в некоторых модификациях атмосферных и вакуумных деаэраторов. Однако принципиально процесс деаэрации в них организован на традиционном уровне, и, в конечном счете, имеет ряд недостатков, которые в итоге приводят к снижению эффективности деаэрации, высокой материалоемкости и сложности регулирования.

Итак, к основным недостаткам традиционных термических деаэраторов относятся:

  • Гидродинамическая неустойчивость струйной ступени, ограничение по количеству удельного выпара из-за опасности режима захлебывания и выноса воды в магистраль выпара.
  • Гидродинамическая неустойчивость барботажной ступени, наличие гидроударов, частые повреждения барботажных устройств, тарелок, перегородок и других элементов конструкции.
  • Высокая чувствительность к температурному режиму и стабильности давления в рабочей зоне, сложность наладки, инерционность регулирования процесса деаэрации.
  • Сложность конструкции и низкая ремонтопригодность.
  • Высокая материалоемкость. Так, удельная материалоемкость только атмосферных деаэрационных колонок без барботажной ступени составляет 4¸38 кг/т, а материалоемкость вакуумных деаэраторов - 10¸95 кг на 1 т обрабатываемой воды.
© 1994-2019 ООО "КВАРК ПромЭнергоСистемы". Все права защищены.