Факторы, определяющие эффективность деаэрации воды

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в последние годы, можно сформулировать требования, которым должен отвечать термический деаэратор как физико-химический аппарат:

1. Все ступени деаэратора должны представлять собой элементы аппарата непрерывного действия, а для этого внутри каждой ступени должны отсутствовать циркуляционные токи, которые могут привести к проскоку в отводящий трубопровод необработанных масс воды.

2. На всем пути между паром и водой в деаэраторе должны обеспечиваться четко выраженный противоток и максимальная разность между равновесным давлением газа в воде и его парциальным давлением над водой.

3. Для непрерывного и устойчивого протекания процесса дегазации воды деаэратор должен вентилироваться необходимым количеством пара. Парциальное давление удаляемых газов в подводимом к деаэратору паре должно быть минимальным.

4. Из всех возможных способов обработки воды паром, особенно на последних ступенях дегазации, необходимо выбрать наиболее активный. Этот способ должен обеспечивать многократную обработку воды паром и максимальное развитие поверхности контакта фаз.

5. В деаэраторе не должно быть застойных зон ни по воде, ни по пару.

6. В любом деаэраторе следует создавать условия для удаления мельчайших газовых пузырьков, неизбежно возникающих при нагревании воды или падении давления.

7. Для обеспечения глубокой дегазации и особенно для эффективного протекания реакции термического разложения необходимо перед последней, решающей ступенью дегазации добиваться максимальной выдержки воды при температуре не ниже чем температура насыщения.

8. Обработка воды в последней ступени дегазации должна по возможности осуществляться при температуре более высокой, чем температура насыщения, соответствующая давлению в паровом пространстве деаэратора.

9. В деаэраторах должна быть исключена возможность повторного заражения воды кислородом и углекислотой.

Изложенные требования позволяют произвести оценку существующих конструкций термических деаэраторов — выявить их преимущества и недостатки. Как показал проведенный анализ, наиболее полно перечисленным выше требованиям отвечает двухступенчатый деаэратор системы ЦКТИ с затопленным барботажным устройством. Высокая эффективность работы этой конструкции подтверждена рядом специальных испытаний и опытом эксплуатации.

Деаэрационная установка включает струйную колонку, расположенную у одного торца бака-аккумулятора. Внутри бака, у противоположного торца расположено затопленное барботажное устройство. Конденсат и химически умягченная вода, поступающие на деаэрацию, подаются на верхнюю тарелку, где смешиваются, а затем в струйном потоке сливаются на вторую дырчатую тарелку, а оттуда — в бак-аккумулятор. После выдержки в баке вода поступает в барботажное устройство, основным элементом которого является горизонтальный дырчатый лист. Пар подается на барботажное устройство и в паровой объем бака-аккумулятора.

При такой схеме деаэратора процессы теплообмена и дегазации протекают в следующем порядке:

1. В струйном отсеке при контакте пара с водой происходит ее нагрев, причем тем интенсивнее, чем выше взаимная турбулизация потоков пара и воды и меньше парциальное давление воздуха в паре.

2. При нагреве воды в толще ее неизбежно появляются мельчайшие газовые пузырьки зародышевого диаметра, которые имеют ничтожно малую подъемную силу.

3. Параллельно с нагревом воды идут процессы дисперсного выделения определенного количества газов и физической десорбции, т. е. процессы переноса газа из жидкой фазы в газообразную путем молекулярной и турбулентной диффузии; преобладание того или иного вида диффузии зависит от способа взаимодействия и степени турбулизации системы, при этом возможно механическое увлечение из греющего пара струей воды определенного количества неконденсирующихся газов в мелкодисперсном состоянии и возникновение их рециркуляции в зоне конденсации.

4. При выдержке воды в баке- аккумуляторе происходят, в первую очередь, процесс удаления из нее мельчайших газовых пузырьков, а затем физико-химические реакции разложения бикарбонатов и нестойких органических веществ эти реакции протекают во времени и, следовательно, для обеспечения глубокой дегазации фактор времени играет большую роль. При этом следует учитывать, что скорость реакций термического разложения определяется скоростью самого медленного процесса — десорбцией свободной углекислоты: чем выше коэффициенты десорбции свободной углекислоты, тем быстрее идут реакции разложения бикарбонатов. Размещение в баке-аккумуляторе барботажного устройства позволяет интенсифицировать процессы удаления кислорода, и особенно свободной углекислоты, и тем самым добиться более глубокого разложении бикарбонатов.

5. На барботажном устройстве вода интенсивно подогревается до температуры насыщения и из нее удаляются растворенный газ и мельчайшие пузырьки. Если не принять мер по удалению газовых пузырьков, то они могут снова растворяться при повышении давления или охлаждении воды. На начальном участке барботажного листа эффективность процесса дегазации воды незначительна. Основной процесс дегазации воды происходит на остальной площади барботажного листа при температуре насыщения, соответствующей давлению в деаэраторе. Определяющими факторами при этом являются: увлечение газовых пузырьков потоком пара и турбулентная диффузия.

Схема одноступенчатой деаэрационной установки включает деаэрационную колонку, расположенную в центре бака-аккумулятора. Подача пара осуществляется под колонку, которая служит для подогрева воды до температуры, близкой к температуре насыщения, и дегазации воды. В баке-аккумуляторе за счет отстоя происходит удаление определенной части мельчайших пузырьков.

Эффективность работы отдельных элементов деаэратора зависит от ряда факторов. На работу первой деаэрационной ступени отрицательно влияет недогрев воды до температуры насыщения. Достаточно отметить, что при недогреве воды до температуры насыщения в деаэраторе атмосферного давления только на 1 °С остаточное содержание кислорода в деаэрированной воде составляет 140 мкг/кг. Поэтому для обеспечения глубокой дегазации воды как в одноступенчатых, так и двухступенчатых деаэраторах необходимо подогреть исходные потоки воды до температуры насыщения, соответствующей давлению в паровом пространстве бака.

Решающее влияние на работу деаэратора оказывает скорость пара при данном давлении или динамический напор пара, набегающего на поток воды в первой ступени деаэрации. Так как расход пара на деаэратор практически определяется производительностью и температурой исходной воды то естественно, что с понижением последней растет расход пара и, следовательно, его скорость. Повышение скорости пара ведет к возникновению значительных перепадов давлений между отсеками деаэратора и уносу капельной влаги в расположенный выше отсек. При превышении величины критической скорости пара происходит затапливание колонки, наблюдаются сильные гидравлические удары, обращенное движение воды и вынос ее из деаэратора через выпарную трубу. Поэтому для обеспечения гидродинамически устойчивой работы одноступенчатых деаэраторов и первых ступеней двухступенчатых аппаратов скорость пара в отсеках не должна превышать критических величин.

Существенное влияние на работу деаэрационной колонки оказывает величина удельного расхода выпара. Это обусловлено тем, что с изменением количества выпара при прочих равных условиях изменяется средняя разность парциальных давлений каждого из удаляемых газов, а следовательно, и конечное содержание их в деаэрированной воде. Одновременно с этим изменяется концентрация неконденсирующихся газов в греющем паре но всей высоте деаэраторной колонки что влияет на величину подогрева воды.Зависимости между остаточным содержанием кислорода в деаэрированной воде и расходом выпара для одноступенчатого струйного деаэратора и струйной колонки двухступенчатого деаэратора имеют аналогичный характер. Однако при наличии второй барботажной ступени деаэрации, являющейся своеобразным барьером против проскока кислорода и углекислоты, расход выпара оказывает меньшее влияние на эффективность работы деаэратора в целом.

В одноступенчатой деаэрационной установке повышение начальной концентрации кислорода и углекислоты в исходной воде без увеличения удельного расхода выпара приводит к росту остаточного содержании этих газов в деаэрированной воде.

При двухступенчатой схеме деаэрационной установки увеличение начальной концентрации газов в исходной воде также ведет к повышению их концентрации в воде после первой ступени, однако дальнейшая обработка в барботажном устройстве обеспечивает требуемое остаточное содержание коррозионно-агрессивных газов в деаэрированной воде.
Бак-аккумулятор является существенным элементом деаэрационной установки, где удаляется определенное количество газов. В одноступенчатых деаэраторах в баке происходит выделение пузырьков газа, оставшихся после колонки, а также процесс их десорбции за счет молекулярной диффузии.

В двухступенчатом деаэраторе интенсивность процесса дегазации в баке до барботажного устройства увеличивается за счет хорошей вентиляции парового пространства бака. Вентиляция парового пространства бака одноступенчатого деаэратора может быть улучшена за счет подвода в торцы аккумулятора определенного количества пара или кипящих конденсатов.

Барботажное устройство деаэратора обеспечивает дальнейшее удаление мельчайших пузырьков газа, а также растворенных микроколичеств газа за счет молекулярной и основном турбулентной диффузии. Определяющим фактором при этом является удельный расход пара на барботаж при обеспечении оптимального удельного расхода пара на барботаж концентрация газов в деаэрированной воде за двухступенчатым деаэратором не зависит от всех других вышеперечисленных факторов.

Содержание в паре, подводимом к деаэратору, удаляемых газов, естественно, оказывает влияние на их остаточную концентрацию в деаэрированной воде. Испытания показывают, что с повышением интенсивности процесса деаэрации это влияние становится менее заметным.

Эффективность удалении из воды свободной углекислоты по сравнению с кислородом существенно ниже, особенно при наличии ее в греющем паре.

Под 100%-ным разложением бикарбоната натрия понимается полный переход его в NaOH, т. е. завершение реакции гидролиза карбоната натрия, а переход бикарбоната натрия Na₂HCО₃ в карбонат Na₂CО₃ оценивается как 50%-ное разложение.

Так как приведенные реакции протекают достаточно быстро, то интенсивность удаления из воды свободной углекислоты определяется временем, необходимым для глубокого разложения бикарбоната натрия при данном давлении. Степень удаления «связанной» углекислоты определяется температурным уровнем процесса (давлением в деаэраторе), продолжительностью пребывания воды в аппарате, начальной концентрацией бикарбоната натрия в исходной воде и способом обработки жидкости паром.