В первой половине прошлого века ржавчина "съедала" до 40% производимой в мире стали. Несмотря на огромные усилия ученых и инженеров по защите металлоконструкций, за сто лет эту цифру удалось снизить всего до 20%. В системе теплоснабжения проблема коррозии стоит особенно остро, ведь коммуникации проходят в основном под землей, и даже при незначительных авариях расходы на ремонт превышают прямые затраты на их профилактику в 5-20 раз. Уменьшить агрессивное действие воды можно, удалив из нее растворенные газы. В статье рассказывается о давно известных и новых методах деаэрации воды.
ДАВЛЕНИЕ И ТЕМПЕРАТУРА
Трубы и детали водонагревательных котлов особенно страдают от коррозии, поскольку высокая температура воды увеличивает скорость химических реакций. Прежде чем направить воду в систему теплоснабжения, ее необходимо деаэрировать - изъять из нее растворенные газы, в первую очередь кислород О2 и углекислый газ СО2. Деаэрацию проводят на заключительной стадии подготовки воды, когда она очищена от механических примесей и обессолена.
Работа деаэратора основана на явлениях, которые описываются законом Генри. Согласно этому закону концентрация растворенного газа пропорциональна парциальному давлению газа над поверхностью жидкости. Воздух представляет собой смесь газов, и общее давление складывается из парциальных давлений азота, кислорода, аргона и др. Чем больше в воздухе содержится того или иного газа, тем выше его парциальное давление. Например, для кислорода оно составляет 20% атмосферного. При атмосферном давлении 750 мм рт. ст. эта величина примерно равна 150 мм рт. ст., а для азота - около 580 мм рт. ст.
Как следует из закона Генри, удалить из жидкости растворенный в ней газ можно двумя способами: снизить парциальное давление газов над поверхностью жидкости и повысить ее температуру.
Для уменьшения парциального давления снижают общее давление над поверхностью. Тогда равновесие в системе газ-жидкость нарушится: из жидкости будет уходить больше молекул газа, чем растворяться в ней. Подобное явление знакомо всем, кто открывал бутылку с газированной водой и наблюдал за интенсивным выделением пузырьков.
Можно изменить состав газовой фазы. Если вместо воздуха над поверхностью жидкости будет, скажем, водяной пар, то парциальное давление остальных газов станет практически нулевым и начнется их интенсивная десорбция.
Газ интенсивно десорбируется, то есть выходит из объема жидкости при ее нагревании. Действительно, с ростом температуры кинетическая энергия молекул увеличивается и соответственно повышается давление. Равновесие нарушается, и поток молекул из жидкости становится больше, чем в обратную сторону.
Однако десорбции газов мешают два ограничения. Чем меньше остается в воде газов, тем меньше перепад давлений растворенного газа и газа над поверхностью и тем ниже скорость деаэрации. Кроме того, в газовую фазу уходят молекулы газа из приповерхностного слоя. Их место занимают молекулы, диффундирующие из глубины слоя жидкости. К сожалению, скорость диффузии невелика, и это существенно замедляет процесс. Например, в кипящей при атмосферном давлении воде концентрация кислорода через 5 мин после начала кипения составляет 100 мкг/л (примерно в 120 раз меньше начального значения), а через 20 мин - 17 мкг/л. Получается, что скорость десорбции за 25 мин снизилась в 82 раза.
Чтобы интенсифицировать процесс деаэрации, нужно увеличить площадь раздела жидкой и газовой фаз, а также перемешивать жидкость - тогда растворенные газы равномерно распределятся по ее объему.
Технически не очень сложно удалить из воды даже 90-95% растворенных газов. Но для эффективной защиты от коррозии остаточное содержание газов для котлов не должно превышать 0,08% от начального, а для теплосетей - 0,4%.
ДЕЙСТВУЮЩИЕ ЛИЦА: КАПЛИ И ПУЗЫРЬКИ
В промышленности используют несколько способов деаэрации. Чаще всего применяют появившуюся еще в начале прошлого века термическую деаэрацию при атмосферном давлении. Ее ведут в специальном устройстве - деаэрационной колонке. Снизу в колонку подают нагретый водяной пар, а сверху противотоком - воду.
Сначала вода поступает в водосливную тарелку, напоминающую большой дуршлаг. Через отверстия в днище она выливается в виде струй и отдельных капель, как в обычном душе. Двигающийся навстречу поток пара нагревает воду почти до температуры кипения. Нагрев сопровождается частичной десорбцией газов, молекулы которых уносятся с паром.
Для повышения эффективности в колонке устанавливают еще одну, промежуточную водосливную тарелку, через которую вода стекает в бак-аккумулятор. Его дно также имеет перфорацию, как и водосливные тарелки, но вода не протекает сквозь отверстия, поскольку снизу подается пар под давлением. Он пробулькивает (барботирует) сквозь слой воды, превращая ее в пену и нагревая до 102-104оС (выше точки кипения при атмосферном давлении), и часть воды испаряется, образуя так называемый выпар (до 2-3 кг на тонну деаэрируемой воды).
К сожалению, традиционные термические деаэраторы имеют недостатки. Разделение процесса на две стадии усложняет конструкцию оборудования и увеличивает материалоемкость аппаратов. Использование противотока жидкости и газа хотя и повышает эффективность деаэрации, но усложняет управление работой аппарата: при слишком большой скорости потока пара капли воды уносятся с паром на предварительной стадии деаэрации, а при слишком малой вода на барботажной стадии вытекает через отверстия в баке. Кроме того, на струйно-капельной стадии происходит обратное газонасыщение воды из-за ее контакта в верхней части колонки с выпаром, содержащим большое количество газов.
ИСКУССТВЕННЫЙ ВОДОВОРОТ
Постепенно к инженерам пришло понимание, что можно создать деаэратор на других принципах и разделить в нем процессы нагрева воды и собственно деаэрации. Идея создания аппарата нового поколения основана на том, что структура жидкости в обычных условиях обладает определенной "рыхлостью". Например, при испытаниях реальной воды на разрыв ее прочность составляет 0,1-1,0 МПа, причем разрыв происходит в местах нахождения пузырьков газа. Прочность же полностью дегазированной воды достигает 103 МПа.
В воде всегда имеются гидрофобные частицы, на которых образуются пузырьки газа размерами порядка 0,1 мкм. Они обладают ничтожной подъемной силой, но именно эти пузырьки могли бы стать центрами десорбции газов.
Это их свойство используют в различных модификациях вихревого деаэратора. Предварительно нагретая вода подается в цилиндрическую камеру по касательной к стенке и закручивается в ней в вихревом движении. В радиальном направлении появляется градиент скорости, давление в центральной части вихря понижается пропорционально квадрату скорости потока и в некоторой области становится ниже давления насыщения воды. В результате термической десорбции и центростремительных сил пузырьки воздуха начинают двигаться от периферии камеры к центру, образуя здесь парогазовую полость (похожим образом работают циклонные фильтры, очищающие воздух от пыли). Парогазовую фазу отсасывают вакуумным насосом или отводят в атмосферу.
В термических деаэраторах, чтобы полностью удалить газы, теоретически необходимо бесконечное время. По аналогии в вихревых деаэраторах для этого потребовалась бы камера бесконечной длины. Однако увеличение длины рабочей зоны приводит к большим потерям на трение, падению скорости вращения потока и в конце концов к схлопыванию парогазовой полости и захлебыванию деаэратора.
ЧЕМ МЕЛЬЧЕ КАПЛИ, ТЕМ ЛУЧШЕ
Специалисты предприятия "КВАРК" разработали деаэратор принципиально иной конструкции. Это устройство устойчиво работает в широком диапазоне расходов. Деаэратор представляет собой цилиндрический корпус. Его внутренний объем по осевой плоскости делит стенка, немного не доходящая до поверхности корпуса. В рабочем отделении проходит труба с щелевыми отверстиями (соплами). По ней под высоким давлением подается предварительно нагретая жидкость, и при истечении из сопла она дробится на мелкие капли. Благодаря большой удельной поверхности раздела фаз и малому диффузионному пути, который должны преодолеть молекулы газа, десорбция происходит с высокой скоростью.
Затем капли жидкости попадают на криволинейные направляющие и коагулируют в водяную пленку. Поверхность раздела уменьшается, и обратное растворение газов произойти не успевает. Деаэрированная вода стекает в нижнюю часть корпуса и уходит через патрубок, а выпар и десорбированные газы направляются в другое отделение. Там установлены форсунки, через которые подается холодная вода. Пары воды конденсируются и выходят через отводящий патрубок. Через другой патрубок в верхней части газы удаляются в атмосферу либо откачиваются вакуумным насосом. Такая конструкция позволяет утилизировать теплоту выпара, а также дополнительно регулировать глубину деаэрации за счет изменения его количества. При испытаниях содержание кислорода в деаэрированной воде не превышало 20 мкг/л, свободного углекислого газа вообще не наблюдалось, а вода имела слабощелочную реакцию (рН>8,5).
Щелевой деаэратор не захлебывается, поскольку выполнен ни по прямоточной, ни по противоточной классической схеме. В настоящее время выпускается целая гамма щелевых деаэраторов производительностью от 0,5 до 600 т/ч. Проект щелевого деаэратора стал лауреатом конкурса российских инноваций 2006 года.
См. в номере на ту же тему
Т. ЗИМИНА - Чем опасен кислород в воде?
