Наука і життя // Ілюстрації
На кордоні води і повітря зберігається динамічна рівновага: частина молекул розчинених газів виходить в атмосферу і приблизно стільки ж розчиняється в воді.
При дробленні рідини на краплі питома поверхня розділу фаз збільшується, а відстань, яку треба пройти молекулам газу до кордону розділу, зменшується. В результаті швидкість десорбції зростає.
Бульбашки пара, барботіруя крізь товщу води, перемішують її, а по дорозі збирають молекули газів з прилеглих областей рідкої фази.
У Деаераційно колонці вода і пара рухаються протитечією. Попередня деаерація проводиться у верхній частині колонки, де реалізований струменево-краплинний режим течії. Остаточна деаерація проходить внизу при барботировании пара крізь шар води.
У вихрових деаераторах бульбашки газу прагнуть від периферії до центру і поблизу осі циліндричного корпусу утворюють парогазову суміш, яка через отвір в торці апарату виводиться в атмосферу.
Корпус щілинного деаератора складається з двох відділень.
<
>
У першій половині минулого століття іржа "з'їдала" до 40% виробленої в світі стали. Незважаючи на величезні зусилля вчених і інженерів із захисту металоконструкцій, за сто років цю цифру вдалося знизити всього до 20%. В системі теплопостачання проблема корозії стоїть особливо гостро, адже комунікації проходять в основному під землею, і навіть при незначних аваріях витрати на ремонт перевищують прямі витрати на їх профілактику в 5-20 разів. Зменшити агресивна дія води можна, видаливши з неї розчинені гази. У статті розповідається про давно відомих і нових методах деаерації води.
ТИСК І ТЕМПЕРАТУРА
Труби і деталі водонагрівальних котлів особливо страждають від корозії, оскільки висока температура води збільшує швидкість хімічних реакцій. Перш ніж направити воду в систему теплопостачання, її необхідно деаерірованной - вилучити з неї розчинені гази, в першу чергу кисень О2 і вуглекислий газ СО2. Деаерацію проводять на заключній стадії підготовки води, коли вона очищена від механічних домішок і знесолити.
Робота деаератора заснована на явищах, які описуються законом Генрі. Згідно з цим законом концентрація розчиненого газу пропорційна парціальному тиску газу над поверхнею рідини. Повітря являє собою суміш газів, і загальний тиск складається з парціальних тисків азоту, кисню, аргону і ін. Чим більше в повітрі міститься того чи іншого газу, тим вище його парціальний тиск. Наприклад, для кисню воно становить 20% атмосферного. При атмосферному тиску 750 мм рт. ст. ця величина приблизно дорівнює 150 мм рт. ст., а для азоту - близько 580 мм рт. ст.
Як випливає з закону Генрі, видалити з рідини розчинений в ній газ можна двома способами: знизити парціальний тиск газів над поверхнею рідини і підвищити її температуру.
Для зменшення парціального тиску знижують загальний тиск над поверхнею. Тоді рівновага в системі газ-рідина порушиться: з рідини буде йти більше молекул газу, ніж розчинятися в ній. Подібне явище знайоме всім, хто відкривав пляшку з газованою водою і спостерігав за інтенсивним виділенням бульбашок.
Можна змінити склад газової фази. Якщо замість повітря над поверхнею рідини буде, скажімо, водяна пара, то парціальний тиск інших газів стане практично нульовим і почнеться їх інтенсивна десорбція.
Газ інтенсивно десорбується, тобто виходить з об'єму рідини при її нагріванні. Дійсно, з ростом температури кінетична енергія молекул збільшується і відповідно підвищується тиск. Рівновага порушується, і потік молекул з рідини стає більше, ніж у зворотний бік.
Однак десорбції газів заважають два обмеження. Чим менше залишається в воді газів, тим менше перепад тисків розчиненого газу і газу над поверхнею і тим нижче швидкість деаерації. Крім того, в газову фазу йдуть молекули газу з приповерхневого шару. Їх місце займають молекули, диффундирующие з глибини шару рідини. На жаль, швидкість дифузії невелика, і це істотно сповільнює процес. Наприклад, в киплячій при атмосферному тиску воді концентрація кисню через 5 хв після початку кипіння становить 100 мкг / л (приблизно в 120 разів менше початкового значення), а через 20 хв - 17 мкг / л. Виходить, що швидкість десорбції за 25 хв знизилася в 82 рази.
Щоб інтенсифікувати процес деаерації, потрібно збільшити площу розділу рідкої і газової фаз, а також перемішувати рідину - тоді розчинені гази рівномірно розподіляться по її обсягу.
Технічно не дуже складно видалити з води навіть 90-95% розчинених газів. Але для ефективного захисту від корозії залишковий вміст газів для котлів не повинна перевищувати 0,08% від початкового, а для тепломереж - 0,4%.
Дійові особи: КАПЛИ І БУЛЬБАШКИ
У промисловості використовують кілька способів деаерації. Найчастіше застосовують з'явилася ще на початку минулого століття термічну деаерацію при атмосферному тиску. Її ведуть в спеціальному пристрої - Деаераційно колонці. Знизу в колонку подають нагріте водяна пара, а зверху противотоком - воду.
Спочатку вода надходить в водозливна тарілку, що нагадує великий друшляк. Через отвори в днищі вона виливається у вигляді струменів і окремих крапель, як в звичайному душі. Рухається назустріч потік пара нагріває воду майже до температури кипіння. Нагрівання супроводжується часткової десорбцией газів, молекули яких несуться з парою.
Для підвищення ефективності в колонці встановлюють ще одну, проміжну водозливна тарілку, через яку вода стікає в бак-акумулятор. Його дно також має перфорацію, як і водозливні тарілки, але вода не протікає крізь отвори, оскільки знизу подається пар під тиском. Він пробульківает (барботують) крізь шар води, перетворюючи її в піну і нагріваючи до 102-104оС (вище точки кипіння при атмосферному тиску), і частина води випаровується, утворюючи так званий випарується (до 2-3 кг на тонну деаеріруемой води).
На жаль, традиційні термічні деаератори мають недоліки. Поділ процесу на дві стадії ускладнює конструкцію обладнання та збільшує матеріалоємність апаратів. Використання противотока рідини і газу хоча і підвищує ефективність деаерації, але ускладнює управління роботою апарату: при дуже великій швидкості потоку пара краплі води несуться з парою на попередній стадії деаерації, а при занадто малій вода на барботажной стадії випливає через отвори в баку. Крім того, на струменево-крапельної стадії відбувається зворотне газонасичення води через її контакту у верхній частині колонки з випарується, що містить велику кількість газів.
ШТУЧНИЙ ВОДОВЕРТЬ
Поступово до інженерам прийшло розуміння, що можна створити деаератор на інших принципах і розділити в ньому процеси нагрівання води і власне деаерації. Ідея створення апарату нового покоління заснована на тому, що структура рідини в звичайних умовах має певну "рихлістю". Наприклад, при випробуваннях реальної води на розрив її міцність становить 0,1-1,0 МПа, причому розрив відбувається в місцях знаходження бульбашок газу. Міцність же повністю дегазованої води досягає 103 МПа.
У воді завжди є гідрофобні частинки, на яких утворюються бульбашки газу розмірами порядку 0,1 мкм. Вони володіють незначною підйомної силою, але саме ці бульбашки могли б стати центрами десорбції газів.
Це їх властивість використовують в різних модифікаціях вихрового деаератора. Попередньо нагріта вода подається в циліндричну камеру по дотичній до стінки і закручується в ній в вихровому русі. У радіальному напрямку з'являється градієнт швидкості, тиск в центральній частині вихору знижується пропорційно квадрату швидкості потоку і в деякій області стає нижче тиску насичення води. В результаті термічної десорбції і доцентрових сил бульбашки повітря починають рухатися від периферії камери до центру, утворюючи тут парогазову порожнину (схожим чином працюють циклонні фільтри, які очищають повітря від пилу). Парогазову фазу відсмоктують вакуумним насосом або відводять в атмосферу.
У термічних деаераторах, щоб повністю видалити гази, теоретично необхідно нескінченну час. За аналогією в вихрових деаераторах для цього потрібна була б камера нескінченної довжини. Однак збільшення довжини робочої зони призводить до великих втрат на тертя, падіння швидкості обертання потоку і врешті-решт до хляпанню парогазової порожнини і захлебиванія деаератора.
Чим дрібніше КАПЛИ, ТИМ КРАЩЕ
Фахівці підприємства "КВАРК" розробили деаератор принципово іншої конструкції. Це пристрій стійко працює в широкому діапазоні витрат. Деаератор є циліндричний корпус. Його внутрішній обсяг по осьовій площині ділить стінка, трохи не доходить до поверхні корпусу. У робочому відділенні проходить труба з щілинними отворами (соплами). За нею під високим тиском подається попередньо нагріта рідина, і при витіканні з сопла вона дробиться на дрібні краплі. Завдяки великій питомій поверхні розділу фаз і малому диффузионному шляху, який повинні подолати молекули газу, десорбція відбувається з високою швидкістю.
Потім краплі рідини потрапляють на криволінійні напрямні і коагулюють в водяну плівку. Поверхня розділу зменшується, і зворотне розчинення газів відбутися не встигає. Деаерірованная вода стікає в нижню частину корпусу і йде через патрубок, а випарується і десорбувати гази направляються в інше відділення. Там встановлені форсунки, через які подається холодна вода. Пари води конденсуються і виходять через відвідний патрубок. Через інший патрубок у верхній частині гази видаляються в атмосферу або відкачуються вакуумним насосом. Така конструкція дозволяє утилізувати теплоту випару, а також додатково регулювати глибину деаерації за рахунок зміни його кількості. При випробуваннях вміст кисню в деаерірованной воді не перевищувала 20 мкг / л, вільного вуглекислого газу взагалі не спостерігалося, а вода мала реакцію (рН> 8,5).
Щілинний деаератор НЕ захлинається, оскільки виконаний ні по прямоточною, ні по противоточной класичною схемою. В даний час випускається ціла гама щілинних деаераторів продуктивністю від 0,5 до 600 т / год. Проект щілинного деаератора став лауреатом конкурсу російських інновацій 2006 року.
Див. В номері на ту ж тему
Т. ЗІМІНА - Чим небезпечний кисень у воді?
ЗІМІНА - Чим небезпечний кисень у воді?