Теплонспользующие установки промышленных предприятий

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.

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. 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-

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:

Бп = Од.,

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

(<5-~ *в) Срп + 0,002

(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.

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.