Механизм процесса деаэрации
Для идеальных растворов, температура которых выше критической температуры газа, при низких парциальных давлениях газа равновесие определяется законом Генри
p=mxj,
где р - парциальное давление газа над раствором; х - молярная доля газа в растворе; m - константа фазового равновесия; в данном уравнении - коэффициент Генри, имеющий размерность давления.
Коэффициент Генри определяется только температурой раствора.
Концентрации кислорода и свободной углекислоты в деаэрируемой воде не превышают обычно 15 мг/кг, поэтому растворы этих газов считаются бесконечно разбавленными и достаточно точно описываются законом Генри.
Углекислота в воде может содержаться о виде свободной углекислоты, (растворенный в воде газ СО и недиссоциированные молекулы Н2СО3), в виде бикарбонатных ионов НСО3 и в виде связанной углекислоты.
Вследствие того, что Н2СO3 слабая кислота ее константы диссоциации незначительны, растворимость двуокиси углерода следует закону Генри согласно уравнению.
Процесс термической деаэрации является сочетанием процесса теплообмена - нагрева деаэрируемой воды до температуры насыщения и процесса массообмена - удаления коррозионно-агрессивных газов из воды в паровую среду. При подогреве воды до температуры насыщении при данном давлении парциальное давление удаляемого газа над жидкостью снижается до нуля и растворимость его согласно закону Генри также падает до нуля. Вследствие нарушении равновесия в системе и наличия положительной разности равновесного парциального давления удаляемого газа в воде и парциального давления этого же газа в паровой среде происходит выделение растворенных газов из деаэрируемой воды. Этот процесс называется физической десорбцией.
Выделение «связанных» газов из воды происходит за счет процесса хемосорбции-десорбции, сопровождаемой химической реакцией. Следует особо отметить, что доведение неподвижной воды до состояния кипения еще не обеспечивает полного удаления растворенных в ней газов. Это объясняется тем, что в данных условиях равновесие между жидкостью и газом устанавливается при длительном соприкосновении фаз. В термических деаэраторах установление равновесной растворимости между водяной и газовой фазами происходит в основном за счет двух факторов: образования и удаления пузырьков газа; диффузии газов через поверхность контакта фаз. Первый из указанных процессов протекает наиболее интенсивно, и при соответствующей конструкции деаэратора этим путем можно удалить 90-95% растворенных в воде газов. Образование пузырьков газа происходит в тот момент, когда сумма парциальных давлений всех растворенных газов и водяного пара достигает или превосходит давление внутри жидкости. Образование пузырьков можно вызвать понижением давления или повышением температуры, так как эта процесс начинается, когда давление водяною пара становится равным давлению жидкости (т. е. при достижении точки кипения). Если же в жидкости растворено большее количество газа, то образование пузырьков наступает и до начала кипения.
Вместе с тем вследствие ряда факторов в воде остается определенное количество растворенного газа, которое может быть удалено за счет диффузии. Необходимость глубокого удаления из жидкости только этого остаточного количества растворенного газа предъявляет большие требования к деаэрационной установке, а эффект дегазации, достигаемый в этом случае, является решающим критерием для оценки работоспособности деаэратора.
Скорость процесса массообмена или кинетика десорбции определяется степенью отклонения системы от равновесного состояния (различием химических потенциалов), свойствами воды, удаляемого газа, пара, а также способом организации взаимодействия между паром и деаэрируемой водой.
В практике термической деаэрации за движущую силу принимают разность между фактической и равновесной концентрациями удаляемого газа в деаэрируемой воде, а уравнение массопередачи по аналогии с теплопередачей записывают в следующем виде G = KACF.Указанные представлении о процессе массопередачи основываются на предположении о наличии в каждой из фаз определенного сопротивления переносу массы. При удалении из воды труднорастворимых газов (O2, СO2, N2) принято считать, что основное сопротивление сосредоточено в жидкой фазе и сопротивлением паровой фазы можно пренебречь.
Определение действительной поверхности контакта фаз в реальных конструкциях термических деаэраторов представляет значительные трудности. Поэтому в практике термической деаэрации приходится пользоваться коэффициентами массопередачи, отнесенными или к единице рабочего объема деаэратора (объемные коэффициенты массопередачи), или к рабочей поверхности деаэрирующего элемента (например, барботажного листа).
Перенос газа между водяной и паровой фазами при отсутствии между ними равновесия происходит согласно теории межфазной турбулентности следующим образом общем случае полагается, что в двухфазном потоке имеет место как молекулярный, так и турбулентный обмен, и в зависимости от гидродинамических условий тот или иной является преобладающим. При движении каждой фазы со скоростями, различными по величине и направлению, создаются условия для возникновения межфазной турбулентности. Жидкость подтормаживает противоположно направленный поток газа, вследствие чего в силу разнонаправленных векторов (скоростей у граничной поверхности образуются пары, вращающие слои потоков. Это вызывает бурное завихрение пограничных слоев фаз и беспорядочный распад поверхности раздела на большое число вихрей. Интенсивное вихреобразование ведет к значительному росту и быстрому обновлению поверхности контакта фаз в единице объема. При этом вихри пронизывают обе фазы, вызывая эмульгирование жидкости и обеспечивая при относительно высокой скорости газа создание подвижной газожидкостной смеси. Этот поток несет с собой бесчисленное множество элементарных вихрей из газовых и жидкостных частиц, в которых и протекает обмен. Разрушение поверхности раздела и последующее проникновение газовых вихрей в поток жидкости сопровождается низким возрастанием количества переносимой массы. При режиме свободной турбулентности создаются условия, при которых турбулентный обмен значительно преобладает над молекулярным и последним можно пренебречь.
Взаимодействие между газом и жидкостью можно организовать двумя способами - распределением жидкости в газе (пленочные, насадочные, струйные и капельные аппараты) и распределением газа в жидкости (барботажные аппараты). В случае применения в аппарате одного из указанных способов распределения деаэратор называется одноступенчатым, при применении нескольких способов - двух- и трехступенчатым.
Аппараты, в которых жидкость распределяется в газе, при нормальных режимах работы не обладают высокой эффективностью. Только при резкой турбулизации потоков и изменении способа их распределения, говоря другими словами, при приближении к барботажному режиму можно резко повысить эффективность аппарата. Но поскольку последние не приспособлены для такой работы, предельные режимы в них являются неустойчивыми и возможны в узком диапазоне соотношений нагрузок жидкости и газа.
При барботажном способе обработки жидкости происходит значительное увеличение поверхности контакта фаз. Если поверхность соприкосновения фаз для пленочных в насадочных аппаратов изменяется от 50 до 500 м на 1 м объема аппарата, то для барботажных аппаратов эта величина составляет 670-1500 м2/м2.
Однако применение в термических деаэраторах, где процессы дегазации воды совмещены с ее подогревом, только барботажного метода обработки воды практически невозможно. Это объясняется тем, что температура воды, поступающей на барботажное устройство, должна незначительно отличаться от температуры насыщения, соответствующей давлению в деаэраторе. В противном случае нарушается гидродинамически устойчивая работа барботажного устройства и эффективность процесса дегазации резко падает.
Предварительный подогрев воды, поступающей на барботажное устройство, можно наиболее просто осуществить в пленочной, струйной или капельной ступени небольшого размера. Таким образом, выявляется необходимость применения двухступенчатой конструкции термического деаэратора, в котором основной подогрев и частичная дегазация воды осуществляются в предварительной ступени, а окончательный подогрев до температуры насыщения и глубокая дегазация воды происходят в барботажном устройстве.