Основы процесса деаэрирования воды
Известны несколько способов деаэрации воды: химическая деаэрация; десорбционное обескислороживание; термическая деаэрация. В промышленных установках наиболее распространен способ термической деаэрации воды.
Химические методы дегазации характеризуются избирательностью связи с удаляемыми газами и практически применимы только для удаления кислорода. Для химической деаэрации, например, применяется гидразин — дорогостоящий, дефицитный и токсичный кислородопоглотитель. В связи с этим на промышленных объектах он используется не взамен термической
деаэрации, а как дополнение к ней для удаления микроколичеств остаточного кислорода.
Применение кислородопоглотителей связано, как правило, с загрязнением воды продуктами взаимодействия этих поглотителей с кислородом, например, окислами железа; иные химические методы деаэрации, кроме дозировки гидрозингидрата, не применяются.
Термический метод деаэрации позволяет удалять из воды любые растворенные газы, не внося в воду никаких дополнительных примесей. Одновременно с этим в термическом деаэраторе происходит подогрев рабочего тела. Таким образом, деаэратор является одним из элементов теплообменного оборудования.
Рис. 12.1. Коэффициент абсорбции водой двуокиси углерода (/); азота (2), кислорода (3) |
В промышленной практике деаэрации подвергается вода с концентрацией растворенных в ней газов, не превышающей!5—30 мг/кг. Растворы с такой концентрацией газов можно считать бесконечно разбавленными. В таком случае переход одного из компонентов из жидкой среды в газовую (паровую) не зависит от наличия в растворе других компонентов и определяется лишь содержанием данного компонента. Для идеальных растворов при низких парциальных давлениях газа равновесие определяется законом Генри — уравнение (10.18).
При небольших давлениях (1 МПа) коэффициент Генри не зависит от общего давления системы и количественного состава фаз, а определяется только температурой раствора.
Это утверждение особенно справедливо для плохо растворимых газов. Равновесное состояние хорошо растворимых газов описывается законом Генри только при очень низких концентрациях. Зная коэффициент абсорбции аа (рис. 12.1), на основании этого закона определяем равновесную концентрацию газа в жидкости
С = а« Р-^г. 10е, (12.1)
Рж*о
Где С — концентрация растворенного газа в жидкости, мг/кг; аа — коэффициент абсорбции при данной температуре жидкости, приведенной к нормальным условиям; рг — плотность газа при
нормальных условиях; рж — плотность жидкости; Рг — парциальное давление газа над поверхностью жидкости; Р0 — нормальное давление.
Как видно из уравнения (12.1), при снижении парциального давления газа над раствором до нуля (Яг-»-0) равновесная концентрация в жидкости также снижается до нуля. Так как парциальное давление паров жидкости над поверхностью раствора при температуре насыщения достигает давления самой жидкости, а парциальное давление растворенных в жидкости газов над поверхностью раствора равно нулю, следовательно, и растворимость газа в жидкости, нагретой до температуры насыщения, также будет равна нулю. На этом свойстве растворов основан принцип термической деаэрации.
Термическая деаэрация проводится в специальных аппаратах, называемых деаэраторами. При подогреве жидкости до температуры насыщения парциальное давление растворенного в жидкости газа над поверхностью раствора снижается до нуля. Согласно закону Генри растворимость газа в жидкости также снижается до нуля. Происходит выделение растворимого газа из жидкости в паровую (газовую) фазу вследствие разности между фактической и равновесной концентрациями газа.
Пример 1. Определить равновесное содержание растворенного в воле кислорода при давлении 100 кПа и температуре 20 °С.
Парциальное давление водяного пара при температуре насыщения 20 °С находим по таблицам [70]: Рп.= 2,337 кПа, тогда парциальное давление воздуха Рвоз = ръ — Рп = 100 — 2,337 = 97,663 кПа. Парциальное давление кислорода Р0 — 0,21РВОЗ = 20,509 кПа. В нормальных условиях плотность кислорода р0г = 1,429 кг/мэ, при / = 20 °С плотность воды рв = 999,3 кг/м3.
Согласно уравнению (12.1) определим равновесное содержание растворенного в воде кислорода:
Со2 = “о, -77-106 = 0,031 999.3 55 ' 108 = 8,97 МГ/КГ получено по графику рис. 12:1^'.
Пример 2. Определить равновесное содержание растворенного в воде кислорода при давлении 490,33 кПа и температуре 120 °С.
Парциальное давление водяного пара при температуре насыщения 120 °С находим по таблицам [70]: Рп = 198,54 кПа, тогда, парциальное давление воздуха Рвоз = Р^—Рп = 490,33— 198,54 = 291,79 кПа. Парциальное давление кислорода Р0г = 0,21ЯВ03 = 61,267 кПа. В нормальных условиях плотность кислорода р0г = 1,429 кг/м3, при £ = 120 °С плотность воды рв = 942,86 кг/м9. Коэффициент абсорбции кислорода при £ = 120 °С по рис. 12.1 равен 0,0172. Тогда согласно уравнению (12.1) концентрация растворенного в воде кислорода
С0 = 0,0172 1,429 61,267 = 15,76 мг/кг.
°г 942,86 • 101,33
Пример 3. Для условий, приведенных в примере 1, определить равновесное состояние свободной углекислоты в воде применительно к району повышенной загазованности воздуха.
Парциальное давление свободной двуокиси углерода ЯСог = 0,001РВОЗ = = 0,001 97,663= 0,0977 кПа. Плотность двуокиси углерода при нормальных
Условиях рСОг = 1,977 кг/м3.
Равновесное содержание в воде свободной двуокиси углерода определяем, используя график на рис. 12.1 и формулу (12.1):
~ по 1,977 0,0977 ,пв. .
ССО, = °-9 999,3 1Ж ' Ш 1,69 МГ/КГ‘
Так как в практике инженерных расчетов деаэрационных колонок необходимо постоянно определять равновесные концентрации растворенных газов, прежде всего кислорода, то целесообразно для диапазона температур и давлений в промышленных деаэрационных установках результаты расчетов по формуле (12,4) представить в табл. 12.1.
12.1. Растворимость кислорода в воде (мг/кг) в зависимости от температуры воды и давления насыщенной паровоздушной смеси над ней
|
12.1. Классификация и особенности работы термических деаэраторов
Термическая деаэрация возможна при любом давлении. В зависимости от рабочего давления, при котором осуществляется выделение газов из воды, термические деаэраторы делятся на следующие группы: вакуумные (ДВ), в которых процесс десорбции протекает при абсолютном давлении 0,0075—0,05 МПа; атмосферные (ДА), работающие при давлении 0,12 МПа; повышенного давления (ДП), работающие при давлении 0,6—0,8 МПа; деаэраторы перегретой воды.
Деаэраторы могут быть классифицированы по принципу образования межфазной поверхности (с фиксированной поверхность^ контакта фаз и с поверхностью, образующейся в процессе взаимодействия потоков пара и воды), по способу распределения воды в паре (пленочные, струйные, капельные) и пара в воде (барботажные).
Если применяется один из способов распределения, аппарат считается одноступенчатым, при комбинации нескольких способов — двух - и трехступенчатыми.
Вакуумные деаэраторы при недостаточной плотности системы сами могут служить источником поступления новых порций воздуха. В эксплуатации эти деаэраторы сложнее атмосферных, так как требуют применения эжекторов для отсоса выпара. Они - используются, как правило, для деаэрации подпиточной воды тепловых сетей, так как температура горячей воды, за счет частичного парообразования которой можно получить пар, необходимый для деаэрации, бывает незначительно выше 100 °С или даже ниже.
Деаэраторы атмосферного и повышенных давлений конструктивно практически не отличаются друг от друга. Выбор давления 0,1—0,12 МПа или 0,3—0 МПа зависит от параметров тепловой схемы установки и метода подготовки добавочной воды. Эффективность процесса деаэрации при увеличении давления в деаэраторе повышается. При этом уменьшается коэффициент лбсорбции и возрастает движущаяся сила десорбции газов, повышается интенсивность диффузии газов.
В результате разложения бикарбонатов и гидролиза образующихся при этом карбонатов в деаэраторе выделяется свободная углекислота, которая может быть удалена с выпаром. Тем самым уменьшается опасность повышения интенсивности коррозии трубопроводов и оборудования.
Вследствие повышения давления в деаэраторе ухудшаются условия работы насоса, установленного после деаэратора, так как насос должен работать на более горячей воде. Увеличивается расход электроэнергии на насос в связи с ростом удельных объемов воды: на 3 % при переходе на давление 0,3 МПа; на 5,5 % при 0,6 МПа. Кроме того, для работы на более высоком давлении необходимо увеличивать толщину стенок'деаэраторов. Стоимость аппарата — деаэраторной головки и связанного с ней аккумуляторного бака — также возрастает. Выбор параметров греющего пара для деаэратора является одной из задач расчета тепловой схемы установки.
Все перечисленные деаэраторы работают при постоянном давлении, регулируемом автоматически. Поскольку процесс термической деаэрации совмещен в одном аппарате с процессом подогрева воды, то в ряде случаев давление, при котором происходит деаэрация, существенно влияет на экономичность тепловой схемы установки. При деаэрации подпиточной воды для тепловых сетей это влияние особенно велико. Экономически целесообразно поддерживать давление пара па возможно низком уровне. Вместе с тем современные конструкции деаэраторов подпиточной воды, питающиеся от того же источника пароснаб - жения, требуют поддержания постоянного давления пара (например, 0,12 МПа). Естественно, это обстоятельство при некоторых режимах приводит к неэкономичному повышению давления в теплофикационной системе. Так как по условиям экономичности давление пара в теплофикационной системе (а следовательно, и в деаэраторе подпиточной воды) целесообразно изменять при различных режимах теплосети, а качество деаэрации можно обеспечить при любом постоянном давлении, то возникает задача деаэрации воды при переменном (скользящем) давлении пара.
Эффективность работы деаэратора (качество деаэрации воды) зависит от ряда параметров, в том числе от температуры и расхода деаэрируемой воды, давления пара в деаэраторе, гидродинамических характеристик деаэратора. Следовательно, регулирование процесса деаэрации поддержанием постоянным только одного из этих параметров, в частности давления, не может быть оптимальным.
Как показали исследования [18, 62], для деаэраторов, работающих в режиме постоянного давления, содержание кислорода в деаэрируемой воде изменяется в зависимости от нагрузки в 8—10 раз (рис. 12.2).
В настоящее время применяют более совершенные способы регулирова-ния процесса деаэрации, в том числе и при скользящих параметрах пара: поддержание оптимальной температуры деаэрируемой воды на входе в деаэратор регулированием степени предварительного подогрева воды; поддержание оптимальной скорости пара в деаэраторе перепуском части пара в верхнюю зону деаэратора; поддержание оптимального подогрева до температуры насыщения деаэрируемой воды на входе в деаэратор.
Вместе с тем деаэрация воды при переменном (скользящем) давлении пара сопряжена с рядом трудностей: возможность вскипания воды на входе в насос, (после деаэратора) при
резком снижении давления пара в деаэраторе; нарушение процессов тепло - и массообмена в деаэраторе, обусловленное изменением объемного расхода, а следовательно, и скорости пара в деаэраторе при изменении рабочего давления.
На рис. 12.3 показано изменение удельного объемного расхода пара через деаэратор при изменении давления до 0,5 МПа при температуре от 40 до 150 °С. Особенно резко изменяется удельный объемный расход при давлении около 100 КПа. В области температур воды 100—115°С и давлений 200—600 кПа деаэраторы обладают достаточно хорошим саморегулированием и удельные объемные расходы остаются практически постоян-
Рис. 12.2. Зависимость остаточной концентрации кислорода в деаэрированной воде после одноступенчатого деаэратора атмосферного давления с баком-аккумулятором от гидравлической нагрузки при различных температурах исходной воды и различных способах отвода деаэрированной воды из баков-аккумуляторов (температура исходной воды, °С: --------------------- 0:----------- 10): 1—концентрация кислорода в деаэрированной воде на выходе из основного бака; 2 — ю же из вспомогательного бака;3 — средняя концентрация кислорода в деаэрированной воде Рис. 12,3. Изменение удельного объемного расхода через деаэратор в функции от давления по параметру температур в деаэраторе: 1—і= 40°; 2 — 50°; 3 — 60’; 4 — 70°; 5 — 80°; 6 — 90°; 7 — 100°: 8 — 110*: 9 — 120»; 130°; 11 — [<10°; 12 — 150° |
Ными. Это позволяет спроектировать деаэратор с устойчивым гидродинамическим режимом в широком диапазоне изменения параметров воды и пара.
Для анализа эффективности работы деаэратора в различных режимах полезно построение статических диаграмм. Их применение особенно эффективно при переводе деаэраторов в режим скользящих параметров пара.
Из условий баланса тепловых потоков деаэратора определяем количество пара, потребляемое деаэратором на подогрев деаэ
рируемой воды до температуры насыщения при давлении в объеме деаэратора, с учетом выпара:
(12.2) |
Где Сп, Сд. в, Свып — расходы греющего пара, деаэрируемой воды, выпара; — температура насыщения при давлении в объеме деаэратора; tв — температура воды на входе в деаэратор; г — теплота парообразования греющего пара.
Так как количество выпара обычно задается в долях от расхода деаэрируемой воды (обычно не более 0,002), то уравнение
(12.2) перепишем в виде
С„ = |
■'Д. В. |
(12.3)
Количество пара, поступающего в объем деаэратора, зависит от разности давлений в деаэраторе и источнике:
С„=!^У2£р(Рп-Рд). (12.4)
Здесь Т7 — площадь проходного сечения подводящего паропровода; |л — коэффициент расхода; Р„, Рд — давление в трубопроводе (источнике) и в объеме деаэратора.
Решив совместно уравнения (12.3), (12.4), определим необходимое изменение давления источника при изменении расхода деаэрируемой воды в условиях постоянства давления в объеме деаэратора.
Рис. 12.4. Расходные характеристики деаэратора |
В случае использования источника постоянного давления при увеличении давления в деаэраторе количество пара, требуемого для подогрева воды до температуры насыщения, возрастает, так как повышается температура насыщения в объеме аппарата. Одновременно уменьшается возможность поступления пара от источника [см. уравнение (12.4)].
Для любого деаэратора можно построить семейство характеристик потребного и возможного расходов пара при Рп = const, Gfl. B = const, —const. Рабочее давление в объеме деаэратора определяется по точке пересечения кривых айв (рис. 12.4).
При изменении температуры деаэрируемой воды кривые в смещаются и соответственно меняется равновесное давление в объеме деаэратора. Для поддержания постоянного давления необходимо смещать кривую а, т. е. изменять сопротивление между источником и деаэратором.