Тепломассопередача в струйных деаэраторах

В одноступенчатых деаэраторах с колонками струйного типа подогрев воды до температуры, близкой к температуре насыщения, отвечающей давлению в паровом пространстве бака-аккумулятора, является одной из основных характеристик, определяющих глубокую дегазацию воды. Исследования струйного деаэратора атмосферного давления с четырьмя дырчатыми тарелками, выполненное ЦКТИ, показали, что если температура паровоздушной смеси, отводимой от деаэратора, составляет около 95°С, то уже на второй тарелке температура воды достигает величины, близкой к температуре насыщения, независимо от температуры входной воды. Следовательно, основной подогрев воды происходит в первом и втором отсеках деаэрационной колонки. В третьем и четвертом отсеках расход конденсирующегося пара резко сокращается, а в пятом отсеке конденсации пара практически происходит.

Понижение температуры паровоздушной смеси или, другими словами, уменьшение расхода выпара при данной температуре исходной воды приводит к перераспределению подогрева воды по отсекам деаэрационной колонки и смещению его из верхней части колонки в нижнюю. Это объясняется тем, что в верхних отсеках деаэратора происходит значительное повышение парциального давления воздуха. Одновременно с понижением температуры паровоздушной смеси уменьшаются скорости движения пара по отсекам.

Проведенные исследования показали также, что на процесс теплообмена не влияет температура греющего пара, поэтому в деаэрационных колонках может применяться как насыщенный, так и перегретый пар.

Исследования деаэрационной колонки атмосферного давления с четырьмя дырчатыми тарелками, выполненные ЦКТИ показали, что эффективность процесса дегазации воды в колонке зависит от температуры паровоздушной смеси, отводимой из деаэратора. Снижение температуры паровоздушной смеси приводит к смещению подогрева воды в нижнюю часть колонки, следствием чего является существенное снижение скоростей парового потока в большинстве отсеков деаэратора. Особенно резкое падение скоростей пара по ходу с движения имеет место при понижении температуры исходной воды, поступающей в колонку. Уменьшение скорости парового потока снижает интенсивность процесса( деаэрации воды в каждом отсеке, и в конечном итоге всей деаэрационной колонки. По-видимому уменьшение массовой скорости пара в отсеке уменьшает степень дробления струи и поверхность контакта фаз, а это приводит к снижению эффективности деаэрации воды.

В практике термической деаэрации влияние температуры паровоздушной смеси выражают зависимостью остаточной концентрации удаляемого газа в деаэрированной воде от удельного расхода выпара, отводимого из деаэратора. Эта зависимость относится ко всей деаэрационной установке в целом, т. е. деаэрационной колонке совместно с баком-аккумулятором. Уменьшение удельного расхода выпара ниже 1,5 кг на 1 т деаэрируемой воды приводит к резкому повышению остаточной концентрации кислорода в воде после деаэрационной установки.

Таким образом, для одноступенчатых струйных деаэраторов атмосферного давления удельный расход выпара должен составлять 1,5 — 2 кг на 1 т деаэрированной воды. При наличии в исходной воде значительных количеств свободной и связанной углекислоты удельный расход выпара следует принимать 2-3 кг/т д. в.

Как показали исследования ЦКТИ, одним из основных факторов, определяющих интенсивность процесса деаэрации в струйной колонке, является скорость парового потока в отсеке. Исследованиями ЦКТИ было установлено также, что с понижением температуры исходной воды интенсивность процесса деаэрации растет и остаточная концентрация кислорода за колонкой снижается. Это объясняется тем, что с понижением температуры деаэрируемой воды при данной нагрузке деаэратора увеличивается расход пара, конденсирующегося в колонке, а следовательно, и скорость движения пара по отсекам.

Исследование показало, что парциальное давление воздуха в паре, которое имеется в основной части деаэрационной колонки (при значениях до 0,08%), не оказывает заметного влияния на интенсивность процесса деаэрации.

Увеличение скорости пара в нижней части деаэрационной колонки вызывает интенсификацию процесса деаэрации. Одновременно было выяснено, что перегрев пара не оказывает практического влияния на эффективность деаэрации.

Влияние начальной концентрации газа в деаэрируемой воде на интенсивность процесса его удаления исследовалось при концентрациях кислорода 1,3 — 6,2 мг/кг. Так как процесс теплообмена протекает в колонке интенсивнее процесса дегазации, то вода практически по всей высоте колонки пересыщена газами. Несмотря на это обстоятельство было установлено, что интенсивность процесса деаэрации по отсекам при других постоянных параметрах не зависит от начальною кислородосодержания, т.е. увеличение концентрации кислорода в исходной воде, поступающей в колонку, ведет к росту остаточного кислородосодержания в деаэрированной воде.

ВТИ была получена основная дегазационная характеристика струйной колонки атмосферного давления, установленной на баке-аккумуляторе. Эта характеристика представляет собой зависимость остаточной концентрации кислорода в деаэрированной воде после бака-аккумулятора от гидравлической нагрузки установки и температуры исходной воды. Основная характеристика деаэрационной колонки производительностью 200 т/ч при ее работе на химически очищенной воде, полностью насыщенной кислородом. Анализ приведенных данных показывает, что дегазационная характеристика при постоянной температуре исходной воды имеет максимум при определенной гидравлической нагрузке деаэратора. Чем больше подогрев воды в колонке, тем выше располагается этот максимум и тем меньшей нагрузке он отвечает. Рассмотрение дегазационной характеристики показывает взаимосвязь процессов дегазации воды и гидродинамических режимов работы колонки, приведенных выше. Струйный режим работы колонки, когда поверхность контакта фаз определяется в основном гидравлической нагрузкой, соответствует низкой эффективности процесса дегазации воды. На дегазационной характеристике — это восходящие ветви кривых.

Увеличение скорости парового потока, следствием чего является переход колонки на струйно-капельный и капельные режимы работы, и увеличение поверхности контакта фаз ведет к увеличению интенсивности процесса дегазации воды. Взаимное расположение нисходящих участков кривых на этом рисунке хорошо согласуется с приведенными выше экспериментальными данными ЦКТИ о том, что при данной гидравлической нагрузке деаэратора понижение температуры исходной воды связано с увеличением скорости парового потока и, следовательно, с ростом интенсивности процесса дегазации. Когда скорость паровою потока не оказывает заметного влияния на гидродинамику струйного потока, увеличение гидравлической нагрузки приводит к росту остаточной концентрации кислорода в деаэрированной воде, несмотря на некоторое увеличение поверхности контакта фаз. С повышением температуры исходной воды, а следовательно, с увеличением средней температуры воды в аппарате снижаются теплофизические характеристики воды: вязкость, плотность и поверхностное натяжение и возрастает коэффициент диффузии кислорода в воде, что в конечном итоге повышает интенсивность процесса дегазации и обеспечивает снижение концентрации кислорода в деаэрированной воде.

При исследовании процесса деаэрации воды в одном струйном каскаде ка экспериментальной полупромышленной установке. ВТИ была установлена возможность обогащения деаэрируемой воды кислородом и углекислотой по мере прохождения ею деаэрационной колонки. При определенных условиях содержание газов в конце струйного потока превышало концентрацию этих газов в исходной воде. Было высказано предположение, что захват струями неконденсирующихся газов обусловлен эжектирующим действием струй и их структурой. Так как парциальное давление удаляемых газов в любой части колонки значительно меньше равновесного парциального давления этих газов в деаэрируемой воде, то отсутствует возможность растворения в этой воде дополнительного количества неконденсирующихся газов. Следовательно, при конденсации греющего пара происходит обогащение струйного потока газами, находящимися в мелкодисперсном состоянии. Таким образом, при деаэрации воды в струйном потоке одновременно идут два сопряженных процесса: дегазация воды и одновременный захват газов из греющего пара. ВТИ было доказано, что конечный результат этих разнонаправленных процессов определяется в основном нагревом воды в колонке и начальной скоростью струй воды. Увеличение нагрева воды а струйном потоке усиливает процесс обогащения деаэрированной воды кислородом. К такому же результату приводит и увеличение гидравлической нагрузки колонки. ВТИ было высказано предположение, что обогащение деаэрируемой воды удаляемыми газами может иметь место и в верхних каскадах струйных деаэрационных колонок.

Проведенные ЦКТИ исследования модернизированных струйных колонок промышленных деаэрационных установок атмосферного давления подтвердили наличие эжектирующего действия водяных струй и унос ими значительных количеств неконденсирующихся газов. Содержание кислорода в воде после колонки повышается с увеличением производительности аппарата. Это объясняется тем, что с увеличением гидравлической, а следовательно, и паровой нагрузок повышается эффективность захвата струйным потоком кислорода из греющего пара при его конденсации.

Это положение особенно четко подтверждается при рассмотрении экспериментальных данных по содержанию свободной углекислоты в воде после укороченных струйных колонн атмосферного давления. При большинстве режимов вода обогащается свободной углекислотой. Содержание углекислоты в воде после колонки повышается с увеличением ее производительности и величины подогрева воды. Начальное содержание свободной углекислоты в исходной воде не оказывает при это заметного влияния на указанный процесс. По-видимому, в данных условиях в деаэраторе имеет место рециркуляция значительны количеств свободной углекислоты, отвод которой из колонки даже при значительных расходах выпара затруднен. Это обстоятельство является существенным недостатком, присущим струйным колонкам, и особенно сильно сказывается при их перегрузках. Обязательным элементом деаэрационной установки является бак-аккумулятор. Вода после деаэрационной колонки содержит кислород и свободную углекислоту как в растворенном состоянии, так и в виде мельчайших пузырьков. Если температура воды после колонки незначительно отличается от температуры насыщения, соответствующей давлению в паровом пространстве бака-аккумулятора, то основная масса указанных газов находится в дисперсной форме. По мере движения воды в баке-аккумуляторе происходит удаление мельчайших газовых пузырьков.

Влияние продолжительности пребывания воды в аккумуляторном баке проверялось ВТИ путем пропуска деаэрированной воды (после струйной деаэрационной установки с баком-аккумулятором) через дополнительную емкость. Время пребывания воды в дополнительной емкости превышало в три раза продолжительность пребывания воды в баке-аккумуляторе деаэрационной установки. Было установлено, что в дополнительном аккумуляторном баке удаляется до 40% исходною количества кислорода, поступающего в эту емкость. Исходная концентрация кислорода в воде составили при этом 0,015 — 0,082 мг/кг. Эффективность удаления кислорода в аккумуляторном баке повышалась с увеличением продолжительности пребывания в нем воды и снижалась с уменьшением ее исходного кислородосо держания. При исходной концентрации кислорода в воде 0,02 мг/кг эффективность удаления его в баке незначительна.

Зависимость бикарбоната пара, а исходная концентрация газов натрия от удельного расхода пара, вентилирующего паровой объем бака-аккумулятора — при времени выдержки воды в баке-аккумуляторе соответственно 28, 35, 44 и 76 мин пребывания воды в аккумулирующей емкости на процесс удаления кислорода и углекислоты исследовалось ЦКТИ на промышленных деаэраторах атмосферного давления. При этом паровые пространства аккумуляторных баков вентилировались определенным расходом измерялась в воде, непосредственно поступающей в бак после деаэрационной колонки. Было установлено, что в аккумулирующей емкости может удаляться до 75% кислорода, поступающего в бак после деаэрационной колонки.

В баке-аккумуляторе происходит также процесс удаления свободной углекислоты, который определяется временем выдержки воды в емкости и удельным расходом пара, вентилирующим ее паровое пространство. После полного удаления свободной углекислоты в баке начинается процесс разложения бикарбонатов. При выдержке воды в баке атмосферного давления более 20 мин, вентиляции его парового объема удельным расходом пара 16 — 18 кг/т д. в. и концентрациях свободной углекислоты в воде 3,3 — 9,4 мг/кг ее можно полностью удалить.

Расчет процесса массопередачи в струйных деаэраторах проводится по эмпирическим формулам.

Leave a reply

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>