1. Основные показатели качества воды для теплоэнергетики. 2. Классификация примесей, содержащихся в исходной воде. 3. Предочистка исходной воды. Коагуляция. 4. Методы умягчения исходной воды. 5. Термическая деаэрация

Вакуумная деаэрация происходит при давлении меньше атмосферного, поэтому вакуумные деаэраторы обязательно должны комплектоваться средствами обеспечения вакуума, например вакуумными эжекторами. Причем, чем ниже температура деаэрируемой воды, тем более глубокий вакуум должен создавать эжектор. Обычно вакуумные деаэраторы работают при температуре 60+80 ОС и вакууме -0,8+-0,5 кгс/см2, обеспечивая концентрацию кислорода в деаэрированной воде не более 50 мкг/л. Такие условия являются наиболее оптимальными с точки зрения соотношения качества деаэрации и затрат на нагрев воды и поддержание вакуума.Физически деаэрация основывается на законе Генри, описывающем зависимость равновесной концентрации газа в жидкости от парциального давления газа над поверхностью жидкости. В соответствии с данным законом равновесная концентрация растворенного газа прямо пропорциональна парциальному давлению газа над поверхностью жидкости с коэффициентом, зависящим от температуры (чем больше температура, тем меньше коэффициент):Если соблюдать законы равновесия между жидкой фазой и газовой, может произойти десорбция газа, при которой растворенный газ из жидкой фазы перейдет в состояние пара. Это один из процессов десорбции газа, его принято называть деарацией.Условия динамического равновесия является обязательным для выполнения. При равновесии растворимость газа прямо пропорциональна парциальному давлению в среде контакта фаз. Происходит процесс диффузии, а также процесс дисперсного выделения, благодаря чему и происходит удаление газов. Чтобы соблюдалось условие перехода газов из воды в паровое пространство необходимо увеличить площадь поверхности контакта воды и пара. Поток воды дробят на тонкие струи, иногда на капли, помимо этого и на пленки. Помимо прочего, происходит барботаж пара. Также рекомендуется повысить среднюю температуру воды, это повысит эффективность процесса деаэрируции. Вязкость воды будет снижена, диффузия газов наоборот увеличится. При этом эффективность деэрации будет достигнута, когда произведут полный отвод всех газов, которые были выделены вместе с выпаром. Таким образом, для десорбции газа необходимо повысить температуру жидкости и снизить парциальное давление газа над поверхностью жидкости. Для этого при термической деаэрации воду нагревают до температуры насыщения, при которой из воды выделяется пар, при этом парциальное давление кислорода над поверхностью воды уменьшается, пропорционально его мольной доле в парогазовой смеси, так что оно становится меньше равновесного давления, соответствующего мольной доле газа в раствореЭто приводит к нарушению равновесной концентрации кислорода в воде и к диффузии кислорода через свободную поверхность жидкости в паровую среду. То есть происходит десорбция кислорода. Этот процесс заканчивается, когда достигается равновесие.Этот принцип деаэрации используют все типы тепловых деаэраторов, независимо от их конструкции. Наиболее известны традиционные пленочные и струйно-барботажные деаэраторы, в которых тепломассоперенос происходит при пленочном и струйном обтекании тарелок жидкостью и барботировании жидкости паром. Однако следует отметить, что данные деаэраторы имеют очень значительные массогабаритные параметры. Именно этот недостаток подталкивает многих разработчиков теплотехнического оборудования к разработке новых типов малогабаритных деаэраторов, в которых используются различные способы интенсификации процесса массообмена и увеличения скорости массообмена с целью снижения массогабаритных характеристик деаэраторов. оборудование.В связи с этим перед каждым разработчиком деаэратора встает вопрос: по каким принципам должен быть построен идеальный деаэратор, имеющий минимальные массогабаритные показатели и при этом не уступающий классическим деаэраторам по остаточной содержание кислорода в деаэрированной воде? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо проанализировать основные факторы, влияющие на этот процесс.Известно, что механизм десорбции, лежащий в основе процесса деаэрации, подчиняется основному уравнению массообмена.Для увеличения скорости массообмена (левая часть уравнения) необходимо увеличить каждый из трех факторов в правой части уравнения, а для этого достаточно соблюдать три принципа:1. обеспечить наибольшую разницу между равновесным и текущим парциальными давлениями кислорода над границей раздела (Рр-Р), т.е. увеличить движущую силу процесса;2. создавать наибольшую площадь поверхности контакта фаз F, через которую происходит диффузия кислорода из жидкой среды в газообразную;3. создавать условия, приводящие к увеличению коэффициента массопередачи K.Первый принцип реализуется в случае противоточного движения фаз. Использование противотока наиболее характерно для классических пленочных и струйно-пузырьковых деаэрационных колонн, в рабочую полость которых подается чистый пар. В этом случае чистый пар с нулевым содержанием кислорода сначала контактирует с предварительно деаэрированной водой в барботажном отделении, а затем поступает в пленочный или струйный столб, где восходящий паровой поток контактирует с нисходящим струйным потоком деаэрированной воды. В случае, когда десорбент не способен растворяться или конденсироваться при контакте с жидкой фазой, такая схема противоточного течения сред позволяет максимально увеличить движущую силу процесса и обеспечить непрерывное снижение парциального давления кислорода Р от начала до окончание процесса, что приводит к низкому остаточному содержанию кислорода в деаэрированной воде. Однако в классическом деаэраторе используется водяной пар, который является как нагревающим, так и десорбирующим агентом. А поскольку, как было сказано выше, в классических деаэраторах используется противоток, то температура пара всегда оказывается выше температуры воды в любом сечении аппарата. Поэтому при контакте пара и воды в струйно-барботажном деаэраторе на границе раздела происходит интенсивная конденсация пара. Это приводит к направленному движению молекул пара к поверхности жидкости, что создает избыточное диффузионное сопротивление кислороду, т.к. препятствует истечению кислорода из пограничного слоя газа, непосредственно примыкающего к поверхности жидкости, что увеличивает парциальное давление кислорода в пограничном слое. В результате одновременно снижается и коэффициент массообмена, и движущая сила процесса десорбции. Поэтому разработчикам струйно-барботажных деаэраторов приходится значительно увеличивать площадь контакта фаз F и время пребывания жидкости в рабочем пространстве деаэратора, чтобы компенсировать этот нежелательный эффект. А так как удельная площадь контакта фаз (ПКФ) в классическом деаэраторе действительно мала, то для обеспечения достаточной площади F для барботажного контактного метода требуется очень большое рабочее пространство. Это значительно увеличивает габариты и, соответственно, стоимость классических деаэраторов настолько, что проектировщики малогабаритных блочно-модульных котельных часто отказываются от них.Таким образом, одна из причин больших размеров классических деаэраторов кроется именно в том, что они совмещают две функции — нагревательную и десорбционную. В этом случае нагрев, сопровождающийся конденсацией паров на поверхности контакта фаз, вызывает избыточное сопротивление массопереносу и препятствует десорбции. Это противоречие лежит в основе принципа действия классического деаэратора. Решить ее можно только созданием нового деаэратора, в котором эти две функции будут принципиально разделены таким образом, чтобы вода перед поступлением в деаэратор нагревалась до необходимой температуры в теплообменнике. При этом давление в новом деаэраторе должно поддерживаться ниже давления насыщенного водяного пара. Тогда в таком деаэраторе будет происходить не конденсация пара, а, наоборот, испарение воды. Так как при испарении происходит одновременное понижение температуры воды, то единственным вариантом движения фаз является только прямоточное движение фаз. При прямотоке температура пара будет ниже температуры воды в любом сечении аппарата, и пар будет двигаться без конденсации. Это приведет к постоянному направленному движению молекул пара от поверхности жидкости, что не создаст избыточного диффузионного сопротивления для кислорода в пограничном слое, т.к. выделяющийся с поверхности жидкости пар будет непрерывно разбавлять пограничный слой, снижая парциальное давление кислорода в газовом слое, примыкающем к поверхности жидкости. Это обстоятельство может увеличить коэффициент массообмена в десятки раз. Таким образом, в некоторых случаях прямоток может быть более выгодным с точки зрения увеличения скорости массообмена, чем противоток. Немного проиграв в величине движущей силы, можно в десятки раз выиграть в коэффициенте массообмена. Именно поэтому разработчики многих известных современных малогабаритных деаэраторов предпочитают обеспечивать обогрев и десорбцию раздельно.Второй принцип наиболее эффективно реализуется в распылительных деаэраторах, в которых весь поток воды рассеивается с помощью центробежных форсунок. В таком деаэраторе ПКФ получается очень большим при малых размерах самого деаэратора. Удельная ПКТ может достигать 20000 м2/м3, превышая удельную ПКТ в струйно-барботажных деаэраторах в сотни раз, так как там она не превышает 200 м2/м3. Однако чем выше удельный ПКФ, тем мельче должны быть частицы жидкости при распылении. Это еще одно обстоятельство, не благоприятствующее использованию противотока. Ведь при организации противотока скорость движения пара в свободном сечении аппарата должна быть очень низкой, чтобы исключить аэрозольный унос, вызывающий значительное увеличение габаритов и не решающий задачи снижения массогабаритных показателей. . Поэтому распылительный деаэратор обязательно должен быть прямоточным для уменьшения габаритных размеров. Поскольку при прямотоке средняя движущая сила процесса несколько меньше, чем при противотоке, можно полагать, что прямоток не позволяет в полной мере достичь максимальной скорости массообмена. Действительно, при спутном течении в течение всего процесса жидкость контактирует с собственными парами, при этом значение PP уменьшается, а значение P увеличивается и приближается к PP. Это приводит к уменьшению разности (Рр-Р), а значит, в конце процесса массообмена с прямотоком скорость массообмена снижается. Однако этот недостаток распылительных деаэраторов незначителен, т.к. проигрыш в средней движущей силе по сравнению с противоточными струйно-барботажными деаэраторами составляет лишь десятые доли, зато выигрыш в удельной площади контакта фаз достигает десятков и даже сотен раз.Применение третьего принципа наиболее характерно для гидродинамических деаэраторов различных известных современных марок - щелевых, центробежных, циклонных, вихревых. Как известно, коэффициент массообмена определяется двумя стадиями: конвективным массопереносом в ядре потока и молекулярной диффузией через пограничный слой. Причем лимитирующей стадией является именно молекулярная диффузия. С увеличением скорости жидкости турбулентность потока увеличивается, что приводит к увеличению скорости обновления поверхности контакта фаз, уменьшению толщины пограничного слоя и увеличению массопереноса. коэффициент. Однако из-за высокой скорости движения время пребывания воды в рабочей зоне деаэратора сильно сокращается, вследствие чего процесс десорбции часто не успевает полностью завершиться. И увеличение размера рабочей области эффекта не дает, т.к. из-за действия сил трения скорость жидкости очень быстро падает, что снижает коэффициент массообмена. Но, тем не менее, даже при очень малых габаритах такие деаэраторы за счет высокого коэффициента массообмена позволяют снизить содержание кислорода в воде до 50 раз в вакуумном режиме. Этого, конечно, недостаточно для снижения содержания кислорода с 13 000 мкг/л на входе до 50 мкг/л на выходе, но если такой деаэратор оснастить второй ступенью, то нужный уровень деаэрации может быть достигнут. получается при очень малых габаритах деаэратора.Таким образом, практически все известные современные деаэраторы имеют свои недостатки. Одни имеют слишком большие габариты, другие не обеспечивают достаточной площади контакта фаз, третьи не создают достаточной движущей силы, в-четвертых, получается низкий коэффициент массообмена, в-пятых, время пребывания воды в рабочей зоне слишком мало.В связи с этим остается актуальным вопрос создания новых малогабаритных интенсифицированных деаэраторов, в которых использовались бы все три вышеизложенных принципа интенсификации массообмена и которые имели бы меньшие массогабаритные характеристики по сравнению с классическими деаэраторами.На наш взгляд, этот тип деаэратора должен быть двухступенчатым по конструкции и прямоточным по принципу действия, без подвода теплоносителя в деаэратор, с оптимальной близостью первой и второй ступеней друг к другу. Это позволит реализовать все вышеперечисленные принципы интенсификации массообменных процессов и сделать деаэратор конструктивно компактным с минимальными массогабаритными характеристиками.В связи с этим данный тип деаэратора должен иметь эффективное устройство распыления жидкости первой ступени, а также иметь такую конструкцию второй ступени, которая обеспечивает пенный режим, и, кроме того, иметь максимально компактное расположение второй ступени по отношению к первой, что и определяет массогабаритные характеристики деаэратора в целом.Принцип работы предлагаемого малогабаритного интенсифицированного деаэратора может быть следующим: вода, предварительно нагретая до необходимой температуры, при которой должен происходить процесс деаэрации, подается в рабочую полость первой ступени деаэратора, проходя через эффективную жидкостную форсунку. устройства (например, центробежные форсунки). В этом случае работа по созданию поверхности контакта фаз должна обеспечиваться потенциальной энергией давления жидкости перед соплами (чем больше давление, тем больше площадь контакта фаз). Давление в полости деаэратора должно поддерживаться ниже давления насыщения нагретой воды, тогда при распылении из воды будет выделяться большое количество паров. Это приведет к значительному снижению парциального давления кислорода в парогазовой смеси и значительному увеличению вынуждающей силы. Следует отметить, что кинетическая энергия образующейся парогазовой смеси на выходе из первой ступени деаэратора будет иметь достаточно большое значение, поэтому ее можно будет повторно использовать для обеспечения массообменного процесса на второй ступени.Далее двухфазная смесь должна поступать на вторую ступень деаэратора, где переформируется большая площадь контакта фаз, но не в капельном, а в пенном режиме. При этом работа по созданию поверхности контакта фаз обеспечивается за счет кинетической энергии движения парогазовой смеси, выделяемой в первой ступени деаэратора. В пенном режиме за счет высокой скорости обновления поверхности значительно увеличивается коэффициент массообмена - в десятки раз больше, чем в струйно-пузырьковых деаэраторах, и в сотни раз больше, чем в пленочных и насадочных деаэраторах.Таким образом, только одновременное применение всех трех вышеперечисленных принципов интенсификации массообмена позволит создать малогабаритный универсальный деаэратор, способный одинаково успешно осуществлять как вакуумный, так и атмосферный процессы деаэрации.