Научноизследователския институт по ядрена физика на име Д.В. Московски държавен университет Скобелцин М.В. Московският държавен университет „Ломоносов“ (SINP MSU) предлага нов метод за отстраняване на кислород, базиран на иницииране на окислителни радикално-верижни реакции във вода. В Института по ядрена физика на Московския държавен университет са разработени генератори на озон-хидроксилна смес, които дават възможност за иницииране на радикално-верижни реакции на окисляване на примеси във вода. Процесът на верижно окисление на разтвор на фенол и фенол Отпадъчни води*. Предлага се да се използват два процеса, водещи до деоксигениране на водата: продухване през водата с газ, който не съдържа кислород; радикални верижни реакции. Диаграмата за настройка е показана на фиг. 1

Инсталацията се състои от радикален генератор, ежекторна помпа (E), буферен резервоар и тръбопроводи. Дебитът на пречистената вода се приема за 50 m3 / h. 10% вода, т.е. 5 m3 / h, подава се към ежектора, който изсмуква газовата смес от генератора. В генератора на радикали гори флаш коронен електрически разряд, разрядният ток е 15 mA, консумацията на енергия е 150 W. Всички газови кухини на инсталацията се продухват с природен газ преди включване на изпразването. Газът се смесва с течността в ежектора. Потокът на сместа газ-вода от ежектора влиза в буферния резервоар, където се смесва с основния поток вода и масло. Добавя се масло като основен материал, който ще реагира с кислорода.

Разходът на масло, като се вземе предвид неговата разтворимост (50 mg / l, или 50 g / m3) при воден поток от 50 m3 / h, ще бъде 2,5 l / h. Природният газ циркулира вътре в блока: той се изсмуква от радикалния генератор чрез ежектор, смесва се с вода в ежектора, отделя се от водата в буферен резервоар и се подава обратно към радикалния генератор през връщащата тръба. Кислородът, отделен от водата и отнесен от газа от буферния резервоар, изгаря част от природния газ на електродите на радикалния генератор. Скоростта на циркулация на газа е равна на скоростта на циркулация на водата през ежектора (5 m3 / h), докато газът се консумира малко и почти целият поток от буферния резервоар се връща обратно към генератора. Консумацията на газ се компенсира с подхранване на природен газ.

За да направите това, е възможно да се организира продухване на газ през системата със запалване на пламък в изходния поток след издухване. Обемът на буферния резервоар трябва да бъде такъв, че времето за задържане на водата да е по-дълго от времето за отстраняване на кислорода. Това време може да бъде до 15 минути (като се вземат предвид направените неточности в числените оценки), т.е. обем на резервоара - 10-15 m3. Приблизителните характеристики на предложената инсталация за отстраняване на кислород от водата са както следва: воден поток - 50 m3 / h; мощност, консумирана от генератора на радикали - 150 W; разход на масло - 2,5 l / h; разход на газ (за окисляване и дренаж) - 500-1000 l / h; обемът на буферния резервоар е 10-15 m3. Точните характеристики на инсталацията зависят от нуждите на клиентите.

Необходимите за изчисляване на инсталациите константи трябва да бъдат получени в резултат на научноизследователска и развойна работа. SINP MSU произвежда радикални генератори с мощност от 50 до 150 W, предназначени за окисляване на примеси във вода. Те могат да бъдат модифицирани, за да генерират органични радикали. Ежекторните помпи също са проектирани и произведени в СИНП.

* Трябва да се отбележи, че най-простият и евтин начинполучаването на вода, която не съдържа кислород, е използването на вода от подземни източници, където няма кислород. Традиционните методи за отстраняване на кислород от водата, както и процесът на верижно окисляване на разтвор на фенол и фенолни отпадъчни води, са разгледани в статията „Отстраняване на кислород от водата“ на уебсайта http://depni.sinp.msu.ru/~ писарев/ в раздел "Проекти, изискващи инвестиции".

понякога е необходимо свързване на кислород и въглероден диоксид. Обезвъздушаването може да се извърши по различни начини. Дори при наличие на обезвъздушително оборудване (деаератор), може да се наложи допълнително намаляване на концентрацията на разтворен кислород и въглероден диоксид с помощта на специални .

Методи за обезвъздушаване на захранващата вода в котелни помещения

... Използване на реагенти

За да свържете кислорода в фуражната и мрежовата вода, можете да използвате комплекс, който позволява не само да се намали концентрацията на кислород и въглероден диоксид до стандартни стойности, но и да се стабилизира pH на водата и да се предотврати образуването на отлагания. По този начин може да се постигне необходимото качество на мрежовата вода без използването на специално обезвъздушително оборудване.

... Химическа деаерация

Същността на химическата деаерация е добавянето на реагенти към захранващата вода, които позволяват да се свържат разтворените корозивни газове, съдържащи се във водата. За бойлери за гореща водапрепоръчваме използването на сложен реагент - инхибитор на корозия и котлен камък. За отстраняване на разтворения кислород от водата по време на обработката на водата за парни котли - , което често ви позволява да работите без обезвъздушаване... Ако съществуващият деаератор не работи правилно, препоръчваме да използвате реагент за коригиране на водно-химичния режим. За хранителна продукциясъщо така се препоръчва използването на реагент Advantage 456

... Деаератори атмосферен тип с подаване на пара

За обезвъздушаване на вода в котелни с парни котлиИзползват се предимно термични двустепенни атмосферни деаератори (DSA), работещи при налягане 0,12 MPa и температура 104 ° C. Такъв обезвъздушител се състои от обезвъздушаваща глава, която има две или повече перфорирани плочи или други специални устройства, поради които оригиналната вода, разбивайки се на капки и струи, попада в резервоара за съхранение, като се натъква на противоточно движеща се пара по своя начин. В колоната водата се нагрява и първият етап на нейното обезвъздушаване. Такива деаератори изискват инсталиране на парни котли, които усложняват отоплителния кръг на котелното за гореща вода и веригата за химическа обработка на водата.

... Вакуумно обезвъздушаване

В котелни с котли за гореща вода, като правило, се използват вакуумни деаератори, които работят при температура на водата от 40 до 90 ° C.
Вакуумните деаератори имат много значителни недостатъци: висока консумация на метал, голям бройдопълнително спомагателно оборудване (вакуумни помпи или ежектори, резервоари, помпи), необходимостта да бъдат разположени на значителна височина, за да се гарантира работоспособността на помпите за подхранване. Основният недостатък е наличието на значително количество оборудване и тръбопроводи под налягане. В резултат на това, през уплътненията на вала на помпите и фитингите, течове фланцови връзкии заварени съединения, въздухът навлиза във водата. В този случай ефектът на обезвъздушаване напълно изчезва и дори е възможно повишаване на концентрацията на кислород във водата за подхранване в сравнение с първоначалната.

... Термична деаерация

Водата винаги съдържа разтворени корозивни газове, предимно кислород и въглероден диоксид, които причиняват корозия на оборудването и тръбопроводите. Корозивните газове навлизат в захранващата вода в резултат на контакт с атмосферата и други процеси, например йонообмен. Основният разяждащ ефект върху метала е кислородът. Въглеродният диоксид ускорява действието на кислорода, а също така има независими корозивни свойства.

За предпазване от газова корозия се използва обезвъздушаване (дегазиране) на водата. Най-разпространена е термичната деаерация. Когато водата се нагрява при постоянно налягане, разтворените в нея газове постепенно се освобождават. Когато температурата се повиши до температурата на насищане (кипене), концентрацията на газовете намалява до нула. Водата се освобождава от газове.

Недогряването на водата до температурата на насищане, съответстваща на дадено налягане, увеличава остатъчното съдържание на газове в нея. Влиянието на този параметър е много значително. Подгряването на водата дори с 1°С няма да позволи да се постигнат изискванията на "PUBE" за захранваща вода на парни и водогрейни котли.

Концентрацията на газовете, разтворени във вода, е много ниска (от порядъка на mg/kg), така че не е достатъчно да се отделят от водата, а също така е важно да се отстранят от деаератора. За да направите това, е необходимо да подадете излишната пара или пара към деаератора, над количеството, необходимо за загряване на водата до кипене. При общ разход на пара от 15-20 kg / t пречистена вода, парата е 2-3 kg / t. Намаляването на изпаряването може значително да влоши качеството на обезвъздушената вода. Освен това резервоарът за обезвъздушаване трябва да има значителен обем, като се гарантира, че водата остава в него най-малко 20 ... 30 минути. Дълго време е необходимо не само за отстраняването на газове, но и за разлагането на карбонатите.

За самостоятелен избор на реагенти

Получете съвет относно избора:

Напълни

В.В. Волков, И. В. Петрова, А. Б. Ярославцев, Г. Ф. Терещенко

Въпреки факта, че съдържанието на разтворен кислород във водата е сравнително малко (при нормални условия около 8 mg / l), в микроелектрониката, енергетиката и Хранително-вкусовата промишленостса поставени доста строги изисквания за намаляване на концентрацията му в технологичните води до ниво от няколко μg / l. Така например в хранително-вкусовата промишленост кислородът, съдържащ се във водата, влошава качеството на редица продукти, по-специално води до намаляване на устойчивостта на стареене на бирата. В енергетиката, за да се намалят корозията и отлаганията на котлен камък, за да се увеличи експлоатационният живот на отоплителните мрежи и оборудване за 10 или повече години, съдържанието на кислород във водата трябва да бъде на ниво от 5 μg / l.

Най-строгите изисквания за качеството на ултрачистата вода са поставени от полупроводниковата индустрия - в някои случаи необходимото ниво не трябва да надвишава 1 μg / l. Всички предприятия от микроелектронната индустрия вече консумират огромно количество свръхчиста вода. Ултрачистата вода не се предлага на пазара като търговски продукт. В микроелектронната индустрия се произвежда директно в предприятия и се транспортира по тръбопроводи до цехове на местата на употреба. В днешно време ултрачистата вода често се използва за изплакване на силициеви субстрати при производството на интегрални схеми. Наличието на разтворен кислород причинява образуването на оксиден слой върху повърхността на субстрата, чиято скорост на растеж зависи от времето на взаимодействие на водата с повърхността и от концентрацията на разтворения кислород. Образуването на оксиден слой се случва дори когато се използва свръхчиста вода с ниско ниво на разтворен кислород от 40-600 μg / L.

Отстраняването на разтворения кислород от водата може да се постигне както с физични, така и с химични методи. Химичните методи позволяват дълбоко реагентно пречистване на водата от разтворен кислород. Традиционните химични методи (редукция с хидразин хидрат или натриев сулфит при повишени температури) обаче имат значителен недостатък – въвеждането на примеси (реагенти) във водата по време на процеса на пречистване.

Традиционните физически методи като термично дегазиране, вакуумно обезгазяване или обезвъздушаване на азотни мехурчета са скъпи, изискват големи размери на инсталацията и имат малка активна повърхност на единица обем. Освен това, използвайки тези подходи, е доста трудно да се намали концентрацията на разтворен кислород от няколко части на милион до ниво от няколко части на милиард.

Използването на мембранни контактори позволява постигане на по-дълбоки степени на пречистване и има редица предимства: значително увеличаване на площта газ-течност на единица обем, високи скорости на пренос на маса, липса на дисперсия между фазите и възможност за мащабиране (модулност на структурите). Тези предимства правят мембранните методи привлекателен избор пред други налични физически методи за отстраняване на кислород. Например, наскоро в атомните електроцентрали в Южна Корея (Kori и Wolsung) бяха инсталирани нови системи за пречистване на вода, състоящи се от два компактни мембранни контакторни модула с обща площ от 260 m 2. Тази технология позволява да се намали съдържанието на разтворен кислород в технологичните води на АЕЦ до 0,39 и 0,18 mg/l, съответно чрез физическо продухване с газ-носител и евакуация при 50 o C.

Такива методи обаче имат редица недостатъци, например частично изпаряване на водата по време на процеса, висока консумация на инертен газ (например азот) или пара, използване на допълнително оборудване за създаване и поддържане на технически вакуум. Освен това, за постигане на високи степени на пречистване на водата от разтворен кислород (по-малко от 1 μg / L), са необходими двустепенни системи: предварителен етап - намаляване до 100 μg / L и окончателно пречистване до ниво от 1 μg / L и по-долу.

Обещаващ химичен метод за отстраняване на разтворения кислород е каталитичната редукция на кислорода с водород върху паладиев катализатор с образуването на вода. Значителен недостатък на такива методи е необходимостта от предварително насищане на водата с водород. Този проблем сега е частично решен в индустрията чрез използване на специални дюзи или мембранни контактори. По този начин, съществуващите методи за каталитично отстраняване изискват двуетапен процес: предварително разтваряне на водород във вода и последваща редукция на разтворения кислород във вода с водород върху паладиев катализатор.

Наскоро Институтът за нефтохимичен синтез Топчиев на Руската академия на науките (TIHS RAS), заедно с Холандската организация за приложни научни изследвания (TNO), разработиха и патентоваха метод за нанасяне на метален паладий върху външната повърхност на хидрофобните полимерни мембрани. Разработената технология за нанасяне на паладиев катализатор върху външната повърхност на порьозните мембрани под формата на наноразмерни частици направи възможно комбинирането в един модул на предимствата на високоефективните газо-течни контактори с висока дълбочина на пречистване на водата, характерна за химическите реактори (фиг. . 1). Важно предимство на този комбиниран подход е прилагането на едноетапен процес на отстраняване на разтворения кислород от водата при стайна температура без етапа на барботиране на водорода във вода.

Принципът на действие е, че водата, съдържаща разтворен кислород, измива мембраната отвън, а водородът, използван като редуциращ агент, се подава във вътрешността на мембраната от порести кухи влакна и дифундира през порите на мембраната към външния паладий- покрита повърхност, където протича реакцията на редукция на кислород с водород.образуването на водни молекули.

Фиг. 1. Принципът на едноетапно отстраняване на разтворения кислород от водата в мембранен контактор/реактор.

Разработеният метод за отлагане на паладий върху външната повърхност на полимерните мембрани дава възможност да се получат каталитични мембрани със съдържание на паладий по-малко от 5 тегловни%. Според данните от сканиращата електронна микроскопия се вижда, че паладий се намира от външната страна на мембраната (фиг. 2), докато чрез рентгенов дифракционен анализ, EDA и EXAFS е доказано, че паладий на повърхността на кухите влакна са само в метална форма с размер на частиците около 10-40 nm.

Фиг. 2. Външна повърхност Pd-съдържащи порести полипропиленови мембрани с кухи влакна: а - оптична микроскопия (увеличение 70 пъти), b - сканираща електронна микроскопия (увеличение 8500 пъти).

Разработеният метод на приложение беше успешно адаптиран към неразделящия се търговски мембранен контактор Liqui-Cel Extra Flow (1,4 m 2; САЩ). За изследване на процеса на отстраняване на разтворения кислород от водата беше използван газов режим, при който физическото продухване беше напълно изключено и отстраняването беше възможно само поради реакцията на каталитичната редукция. При подаване на водород се наблюдава рязък спад в концентрацията на кислород във вода при стайна температура само поради каталитичната реакция.

Фиг. 3. Зависимост на концентрацията на разтворен кислород във вода от времето на експеримента в проточен режим: 1 - хелий (разход на вода 25 l/h); 2 - водород (разход на вода 25 l / h); 3 - водород (скорост на водния поток 10 l / h).

По време на пилотни тестове на контактор/реактор с каталитична мембрана в режим на рециркулация на водата в системата (температура 20 ° C), концентрацията на разтворен кислород във водата беше намалена с повече от 4 порядъка до ниво от 1 μg / L и по-ниско само поради каталитичната реакция. Тази реализация ви позволява да елиминирате неизбежно високата консумация на газ или пара в сравнение с традиционния процес на физическо издухване. Получените резултати отговарят на най-строгите изисквания на индустрията за свръхчиста вода към момента.

Дългосрочните (6 месеца) тестове показват висока стабилност на каталитичната активност на мембранните контактори. Установено е, че дори ако катализаторът е отровен или деактивиран, е възможно повторното отлагане на паладий върху повърхността на мембраната на работещ мембранен контактор/реактор.

В резултат на изследванията, проведени от TIHS RAS, заедно с TNO, беше разработен каталитичен мембранен контактор/реактор, съдържащ паладиев катализатор, нанесен по специален начин върху външната повърхност на порести полипропиленови мембрани с кухи влакна. Освен това техниката е адаптирана по такъв начин, че процесът на нанасяне да се извършва без разглобяване на индустриални мембранни контактори, осигурявайки опростеност и мащабиране на тяхното производство до необходимото ниво. Цената на процеса на отлагане на паладий може да се оцени на 5-7 евро за 1 m 2 от мембраната.

Разработеният едноетапен метод за отстраняване на разтворения кислород е напълно готов за комерсиализация и позволява получаването на свръхчиста технологична вода за различни области на микроелектрониката, енергетиката и хранително-вкусовата промишленост.

Отстраняването на кислорода от водата се извършва не само чрез десорбция (физически), но и чрез химични методи. Химическото свързване на кислорода с корозивните инертни вещества се осъществява по няколко начина, всеки от които се основава на редокс процеси. Тъй като тези процеси са характерни и за редица типични методи за пречистване на водата, например за почистване от биологични замърсители, и са важни при оценката на корозията на конструктивните материали на основното и спомагателното оборудване, ще анализираме основните им положения.

Редокс реакциите се състоят от процеси на окисление (освобождаване на електрони към вещества) и редукция (получаване на електрони от вещества). Вещество, което отдава своите електрони по време на реакцията, се нарича редуциращ агент, а вещество, което приема електрони, се нарича окислител. Някои вещества могат да съществуват в окислителни и редуциращи форми и са в състояние да преминават от една форма в друга, като получават електрони или ги губят. С изключение на кислорода и водорода, които са съответно окислители и редуциращи агенти, останалите вещества, в зависимост от условията, могат да бъдат или окислители, или редуциращи агенти, което се характеризира с редокс потенциал на реакционната система или редокс потенциал . Редокс потенциалът зависи от активността на редокс формата в съответствие с уравнението на Норнст:

където n е броят на електроните, участващи в редокс реакцията; k е параметър в зависимост от температурата; E 0 е стандартният потенциал, който определя равенството на активностите на окислителната и редуциращата форма.

Окислително-редукционният потенциал служи като мярка за окислителния и редукционния капацитет на системата. Най-силните окислители са йони и, използвани за определяне на окислимостта на перманганат или дихромат, както и флуор, озон и хлор.

Химическите методи за отстраняване на разтворените газове от водата са свързването им в нови химични съединения. Строгото регулиране на съдържанието на кислород при използване на редуциращи водни режими във веригите на топлоелектрическите централи с барабанни котли, в отоплителните системи определя необходимостта от използване не само на физически методи за дегазиране, но и на химични методи за допълнително деоксигениране на базата на редокс реакции.

Използваните редуциращи агенти включват реагенти като натриев сулфит, хидразин и редокс групи, създадени върху водонеразтворими полимери с високо молекулно тегло.

Обработката на водата с натриев сулфит се основава на реакцията на окисление на сулфита с кислород, разтворен във вода:

2Na 2 SO 3 + O 2 2Na 2 SO 4.

Реакцията протича доста бързо при температура на водата най-малко 80 0 С и pH ≤ 8. Този метод на деоксигениране се използва само за котли със средно налягане (3 - 6 MPa) и за подхранваща вода от отоплителната мрежа, т.к. при температура над 275 0 С и налягане по-високо от 6 MPa сулфитът претърпява хидролиза и процес на самоокисляване - самовъзстановяване:

Na2SO3 + H2O2 NaOH + SO2; 4Na 2 SO 3 Na 2 S + 3Na 2 SO 4.

За котли с директен поток и барабанни котли с високи и свръхвисоки параметри, деоксигенирането на водата с хидразин се използва под формата на хидразин хидрат (N 2 H 4 ∙ H 2 O), който не повишава солеността на водата.

N 2 H 4 ∙ H 2 O O 2 3H 2 O + N 2.

Основните фактори, определящи скоростта на тази реакция, са температура, рН на средата, излишък от хидразин и наличието на катализатори. Така че, при температура 105 0 С, pH = 9 ÷ 9,5 и излишък от хидразин от 0,02 mg / kg, времето за пълно свързване на кислорода е 2 - 3 секунди. При pH< 7 гидразин практически не связывает кислород. При рН = 9 ÷ 11 достигается максимум скорости реакции. Органические катализаторы интенсифицируют реакцию, повышая скорость взаимодействия в 25 – 100 раз. Каталитически влияют на скорость реакции также соединения меди и некоторых других металлов.

В котелна вода и в прегреватели, излишният хидразин се разлага, за да образува амоняк:

3N 2 H 4 4NH 3 + N 2.

В присъствието на метални оксиди е възможно и разлагането на хидразин с освобождаване на Н2:

3N 2 H 4 2NH 3 + 3H 2 + 2N 2.

Редокс реакциите могат да се осъществят чрез филтриране на водата през неразтворими във вода високомолекулни вещества, съдържащи редокс групи, способни на обратимо окисление и редукция. Пример за такива вещества са електрически йонообменници (EI), използвани в схеми за дезоксигениране за допълнителна вода в отоплителни мрежи, които са преминали предварителния етап на термична деаерация. EI се получава чрез въвеждане на йонообменник в структурата по време на синтеза на материала. При такива смоли е възможно едновременното и независимо протичане на йонообменни и редокс процеси. EI може да се получи на базата на мед и бисмут.

Решаващият фактор при избора на типа йонообменник за опаковане на редокс вещества върху него е способността на матрицата да държи здраво приложените съединения. Тази способност зависи от знака на заряда на повърхността на йонообменника.

Лекция номер 10

Организация на химическа деоксигенация.

Разтворът на натриев сулфит за третиране на захранваща вода от котела със средно налягане се приготвя в резервоар, защитен от контакт с атмосферата. Разтвор с концентрация 3 - 6% се въвежда в захранващия тръбопровод пред помпите с помощта на шайби и бутални дозатори. Дозата на натриев сулфит за обработка на 1 m 3 захранваща вода след термична деаерация се изчислява по формулата:

където g е потреблението на технически сулфит, g / m 3;

Концентрация на кислород в пречистената вода, g / m 3;

k е излишъкът от реагента (2 - 3 g / m 3);

При организиране на третиране с хидразин трябва да се вземат предвид свойствата на хидразин хидрата. Хидразин хидрат N 2 H 4 · H 2 O е безцветна течност, която лесно абсорбира кислород, въглероден диоксид и водни пари от въздуха и е лесно разтворима във вода. Хидразинът е токсичен при концентрации над 40%, запалим е, доставя се и се съхранява като 64% ​​разтвор в запечатан контейнер от неръждаема стомана. Парите на хидразин причиняват дразнене на дихателните пътища, органите на зрението, разтворите на хидразин действат върху кожата, поради което при работа с хидразин е необходимо стриктно да се спазват съответните правила за безопасност.

Изчислената доза хидразин трябва да вземе предвид не само консумацията му за свързване на кислород, но и за взаимодействие с метални оксиди. Неговата доза се изчислява по формулата:

g g = 3C 1 + 0,3 C 2 - 0,15 C 3,

където g g е изчислената доза хидразин хидрат, mg / kg;

С 1 - С 3 - концентрация в захранващата вода, съответно, на кислород, желязо и медни съединения, mg / kg.

Дозирането на хидразин се извършва в една от двете точки: към засмукването на захранващите помпи или към турбинния кондензат пред нагревателя ниско налягане(PND). Изчисленото количество от 100% хидразин φ, mg/kg, необходимо за зареждане в резервоара за предварително разреждане, се определя от съотношението:

където D е консумацията на захранваща вода, m 3 / h;

τ е времето между презарежданията на резервоара, h.

Капацитетът на резервоара от 10 m 3 за хидразин с концентрация 20% осигурява доставка на реагент за около два месеца за водноелектрическа централа (ГРЕС) с мощност 3600 MW.

При даден дебит на захранващата вода, часовият дебит на реагента d, kg / h, се изчислява по формулата:

Обикновено излишната концентрация на хидразин се поддържа в захранващата вода по време на нормална работа от 0,03 - 0,06 mg / kg.

Нека разгледаме технологията за използване на химическа деоксигенация, като използваме пример за използване на електройонообменник с железен оксид (EI). EI от този тип е способен да деоксигенира и едновременно да омекотява водата във вериги с предварителна вакуумна деаерация. Предварителното обезвъздушаване на водата осигурява нагряването й до 60 - 80 0 С и частично отстраняване на разтворения кислород, което има положителен ефект върху ефективността на разглеждания метод. При посочените температурни условия процесът може да се основава на типични конструкции на йонообменни филтри. Когато първоначалното съдържание на кислород в пречистената вода е до 1 mg / kg, електрическият йонообменник осигурява намаляване на съдържанието на кислород до 5 - 20 μg / kg.

Наличието на железен хидроксид на повърхността на електрическия йонообменник също допринася за обезжелезяването.

Посочените технологични характеристики осигуряват висока ефективност от използването на този материал за дезоксигениране на подхранващата вода на затворена отоплителна система.

Пречистване на водата чрез дестилационни методи.

Метод на дестилация.

Пречистването (обезсоляването) на водите с висока соленост, включително морските води, както и преработката на силно минерализирани отпадъчни разтвори с цел опазване на околната среда е най-важната научна и техническа задача.

Пречистването на силно минерализирани води и разтвори може да се извърши, първо, чрез отстраняване на разтворени примеси от водата, което се осъществява като правило без фазови преходи на разтворителя (вода) в парно или твърдо състояние; второ, чрез метода за извличане на водородни молекули от разтвор, въз основа на промяна в тяхното агрегатно състояние (чрез дестилация).

Първият начин за извличане на соли от разтвора е теоретично по-целесъобразен, тъй като моларната фракция на разтворените дори силно минерализирани примеси е около 100 или повече пъти по-малка от броя на самите водни молекули. Техническите трудности при реализирането на такъв път обаче не позволяват във всички случаи да се реализира икономично това предимство.

При нагряване водни разтвориводните молекули придобиват енергия, която надвишава силите на молекулярно привличане и се изнасят в парното пространство. Когато налягането на наситените пари във водата стане равно на външното налягане, водата започва да кипи. Йоните и молекулите на разтворените вещества, които се съдържат във водата и са в хидратирано състояние, нямат такъв запас от енергия и преминават в пара при ниско налягане в много малки количества. По този начин, чрез организиране на процеса на кипене на водни разтвори, е възможно да се отделят разтворителя (вода) и съдържащите се в него примеси. Дестилацията (термично обезсоляване) се извършва в изпарителни инсталации (Фигура 1), в които водата, поради получаването на топлина от първичната пара, подадена към отоплителната система, се превръща във вторична пара, която след това се кондензира.

Фигура 1 - Схема на изпарителната инсталация:

1 - първична линия за подаване на пара; 2 - отоплителна секция; 3 - корпус на изпарителя; 4 - линия за изтегляне на образуваната (вторична) пара; 5 - кондензатор; 6 - първична линия за източване на пара кондензат; 7 - линия за подаване на вода; 8 - линия за прочистване; 9 - линия за изпразване; 10 - изходна линия за дестилат.

Първичната пара обикновено се взема от парна турбина. Водните замърсители остават в обема на изпарената вода и се отстраняват от изпарителя с продухващата вода. Дестилатът - кондензатът на вторичната пара - съдържа само малко количество нелетливи примеси, влизащи в него поради капковото увличане на изпарената вода (концентрат).

Приемайки като първо приближение, че преходът на примесите във вторичната пара е нула, ние оценяваме, на базата на материалния баланс в изпарителя, концентрацията на примеси във водата на изпарителя C v. И в зависимост от концентрацията на примеси в захранващата вода C pv и дебитът на продухване P pr. Уравнението на материалния баланс е:

R p.v C p.v = P p C n + R pr

където Р п.в - консумация на захранваща вода (Р п.в = Р п + Р pr);

P p - производство на пара.

Като се има предвид, че C n = 0, (P n + P pr) C p.v = P pr C v. И откъдето.

Колкото по-голямо е продухването, толкова по-ниска е концентрацията на примеси във водата на изпарителя (в продухването). Отрицателният температурен коефициент на разтворимост на солите на твърдостта при изпаряване на водата, концентрацията на йони Ca 2+, Mg 2+,,, OH - до границите, надвишаващи продукта на разтворимост на CaCO 3, CaSO 4 и Mg (OH) 2, е причината за образуването на котлен камък върху повърхностите за пренос на топлина в изпарителите ... Образуването на котлен камък намалява производителността на изпарителите и влошава техните технически и икономически показатели.

Инсталациите за изпаряване могат да бъдат едностепенни или многостепенни. Ако парата се кондензира директно в кондензатора на изпарителя, изпарителят е едноетапен изпарител. В многостепенните инсталации (Фигура 2) вторичната пара на всеки етап, с изключение на последния, се използва като нагревателна пара за следващия етап и там се кондензира.

Фигура 2 - Схема на многостепенен изпарителен агрегат:

1 - линия за подаване на отоплителна пара; 2 - 4 - изпарител, съответно 1 - 3 степени; 5 - вторична изходна линия за пара; 6 - кондензатор; 7 - линия за източване на кондензат; 8 - линия за подаване на вода; 9 - бойлер за захранваща вода; 10 - линия за прочистване.

С увеличаване на броя на етапите се увеличава и количеството кондензат (дестилат), получен в изпарителната инсталация от един тон първична пара. Но с увеличаване на броя на етапите температурната разлика между нагряването и вторичната пара намалява, което налага увеличаване на специфичните топлообменни повърхности, което в крайна сметка води до увеличаване на габаритните размери, специфичния разход на метал и увеличаване на цена на инсталацията.

Захранването на многостепенна инсталация може да се извършва в паралелна верига със захранване на всеки изпарител от общ колектор, но по-често - в последователна верига, както е показано на фигура 2. В този случай цялата захранваща вода е подава се към първия етап на инсталацията и след това, след частичното му изпаряване, водата се влива в следващия етап, а от последния се изпуска в канализацията. Многостепенните изпарителни системи се използват в комбинирани топлоелектрически централи с високи общи и външни загуби на пара и кондензат. Едностепенните изпарителни инсталации се използват при кондензационни електроцентрали (КЕС) с малки загуби (1 - 3%) и са включени в схемите за пречистване на отпадъчни води от пречиствателни станции със забранени зауствания.

Понастоящем дестилатът се произвежда основно от вода, която е била предварително омекотена на йонообменни филтри, но в някои случаи се използва вода, която е преминала през опростена обработка. Парата, подавана към изпарителя, се нарича първична, а парата, генерирана от водата, влизаща в изпарителя, се нарича вторична.

В изпарителите с мигновено кипене парата се генерира не чрез кипене, а чрез вряща вода, предварително загрята до температура с няколко градуса по-висока от температурата на насищане на водата, в камерата, в която се извършва изпаряване. Те не изискват висококачествена захранваща вода, тъй като процесът на изпаряване на водата по време на кипене се извършва без пренос на топлина през повърхността. Системите за мигновено кипене се наричат ​​още адиабатични или „промиващи“ инсталации. Тъй като температурата на насищане зависи от налягането на насищане, при кипене при налягане под атмосферното е възможно да се организира работата на изпарители от разглеждания тип при температура под 100 0 C, което намалява вероятността от образуване на котлен камък.

Едностепенният флаш изпарител с принудителна циркулация работи както следва (Фигура 3).

Фигура 3 - Едностепенен флаш изпарител с принудителна циркулация.

Първоначалната вода влиза в кондензатора 1, след което част от нея се насочва към изпарителната камера 3. Циркулационната помпа 5 взема вода от изпарителната камера и я изпомпва през нагревателя 6, връщайки водата през дюзата 2 към корпуса на изпарителя . При изсмукване на некондензиращите газове от парния ежектор 8, налягането в камерата намалява под налягането на насищане на парата, в резултат на което се получава изпарение от повърхността на капките и огледалото. Отделянето на капчици влага се извършва в устройството 7. Дестилатът се изпомпва от изпарителя от помпата 4, като количеството му в едностепенни инсталации е приблизително равно на количеството кондензираща пара.

Флаш изпарителите могат да бъдат изградени по многоетапна схема, която осигурява по-ниска специфична консумация на топлина. В инсталациите за обезсоляване на морска вода броят на етапите може да достигне 30 - 40. Когато такава инсталация е включена в кръга за регенериране на захранващата вода на котела, тя се изпълнява според условията на едноетапен топлинен баланс или има три до четири етапа.

Предотвратяване на образуването на котлен камък в изпарителните системи.

Опитът от използване на изпарители с подаване на солена вода показва сериозни трудности, произтичащи от бързото образуване на котлен камък върху топлопреносните повърхности, намаляване на коефициента на топлопреминаване α и намаляване на ефективността на изпарителите.

Растежът на плътен слой от кристални отлагания възниква от пренаситен разтвор в резултат на растежа на кристали, съществуващи на повърхността (първично образуване на нагар), както и поради адхезия и адсорбция на фини частици, които вече са образувани в изпарената вода ( образуване на вторичен мащаб).

По правило образуването на мащаб и на двата вида се случва едновременно. Образуването на котлен камък върху повърхността може да се представи по следния начин: образуване на зародишни кристали в вдлъбнатините на микрограпавостта на метала; появата на образувания като коралов храст; запълване на празнините между клоните на "храста" с малки частици от твърдата фаза, образувана в разтвора и транспортирана до повърхността за пренос на топлина.

Методите за изчисление, свързани с оценката на интензивността на образуване на скала, все още не са разработени, тъй като всички фактори, влияещи на този процес, далеч не са проучени, по-специално е необходимо да се знаят точните стойности на коефициента на активност на йоните на скалообразувателя за действителните параметри на работата на изпарителя.

Методите за борба с образуването на котлен камък в изпарителите могат да се разделят на физически, химични и физико-химични; освен това е възможно да се използват специални конструкции и материали за изпарители, за да се намали образуването на котлен камък.

Методи без реагент.

Методът за контактна стабилизация е предложен от Ланжелие и е наречен така поради отсъствието на утаяване на твърда фаза върху повърхността за пренос на топлина по време на неговото използване. Тя се основава на факта, че енергията на образуване на кристали върху неразтворени примесни частици е по-малка от енергията на спонтанно образуване на кристализационни центрове. Кристализацията върху стабилизиращото вещество протича при по-ниско пренасищане на разтвора. Поради множеството кристализационни центрове, излишно количество от образуващи котлен камък агенти се отлага над разтворимостта. Като стабилизатор се използват натрошени материали: варовик, мрамор, пясък, през филтриращия слой на който циркулира изпарената вода.

Височината на филтъра трябва да бъде 1,8 - 2 метра. Скоростта на повдигане на саламурата не трябва да надвишава 35 m/h, за да се избегне пренасянето на стабилизиращия материал. Използването на контактна стабилизация може да намали количеството котлен камък в изпарителя с 80 - 90%, но е структурно сложно.

Магнитната обработка на водата се състои в изпомпването й през апарат, в който се създава магнитно поле. Известно е, че инсталациите са оборудвани с магнитни устройства, когато водата не е стабилна, тоест пренаситена по отношение на CaCO 3, те работят ефективно. Теорията на магнитната обработка все още не е формирана, но проведените изследвания установиха следното. Съдържа се във водата, която се транспортира от стоманени тръби, феромагнитни корозионни продукти и колоидни частици с електрически заряди магнитният момент се натрупват в магнитното поле, създадено от магнитния апарат. Увеличаването на концентрацията на твърда микрофаза в пролуката на магнитния апарат насърчава кристализацията на калциев карбонат от нестабилна вода в неговия обем, в резултат на което скоростта на образуване на котлен камък намалява, но концентрацията на утайка се увеличава с по-нататъшно нагряване и изпаряване на вода, подложена на магнитна обработка. Тъй като химическият и дисперсният състав на естествените водни примеси варира в зависимост от сезоните и регионите, а степента на пренасищане на водата по отношение на CaCO 3 също зависи от температурата, ефективността на магнитната обработка може да варира в широк диапазон до нулеви стойности.

Ултразвуковата обработка по време на изпаряване на водата може да създаде еластичност механични вибрациисреда със значителни енергии, условия, водещи до нарушаване на кинетиката на кристализация в пристенния слой. Действието на ултразвуковите вълни върху нагряващата повърхност може да възбуди редуващи се сили на огъване на границата на кристалните връзки с повърхността, което в крайна сметка причинява отлепване на котлен камък. Механизмът на действие на ултразвука върху образуването на котлен камък не е напълно изяснен.

Е.Ф. Тебенихин, Безреагентни методи за пречистване на водата в електроцентрали. М.: Енергоатомиздат, 1985.

Лекция номер 11

Предотвратяване на образуването на котлен камък в изпарителния материал

инсталации по химически и други методи.

Химически методи. Стабилизирането чрез подкисляване се използва за предотвратяване на образуването на калциев карбонат и магнезиев хидроксид върху повърхностите за пренос на топлина.

Естествената вода, съдържаща Ca 2+,,, CO 2, в зависимост от състоянието на равновесието на въглеродния диоксид в системата, може да бъде агресивна, стабилна или нестабилна. Основният критерий за стабилност на такава система, използван в практиката, е „индексът на стабилност“, предложен от Ланжелие.

За естествените води са изпълнени следните съотношения, равни на рН ≥ рН факт. Разликата между действителните и равновесните стойности се обозначава с Y и се нарича индекс на стабилност или индекс на Ланжелие:

действително pH - pH = Y.

При Y = 0 водата е стабилна, при Y< 0 она агрессивна, при Y >0 водата е нестабилна и склонна към образуване на утайки. При стабилизирана обработка на водата чрез подкиселяване, индексът на стабилност е близо до нула. Знаейки естеството на промяната в pH факт = f 1 (W) и pH = f 2 (W) с намаляване на алкалността на водата в резултат на подкиселяване, можете да решите тези уравнения по отношение на A (намаляване на алкалността до стабилно състояние).

Необходимата доза, mg/kg, техническа сяра или на солна киселинаможе да се определи по формулата:

където e е еквивалентната маса на киселината, mg-eq / kg;

Дозата на киселината зависи от алкалността на захранващата вода, температурата на процеса на дестилация и скоростта на изпаряване и обикновено е 70 - 90% от алкалността на захранващата вода. Предозирането на киселина може да разяде структурните материали на изпарителния блок, което изисква внимателно наблюдение на процеса на дозиране. Използването на натриев бисулфат е подобно на подкиселяването, тъй като в резултат на дисоциацията на NaHSO 4 се образуват водородни йони.

За подкисляване може да се използва железен хлорид, докато заедно с водородния йон по време на хидролизата се образува суспензия от железен хидроксид, чиито частици служат като кристализационни центрове на агенти, образуващи котлен камък.

Физикохимични методи. Те се основават на използването на химични реагенти, добавки, повърхностноактивни вещества, въведени в изпарената вода в толкова малко количество (1 - 20 mg/kg), че реакцията им с водни примеси не играе съществена роля. Ефективността на такива добавки се дължи на факта, че поради тяхната висока повърхностна активност кристализацията на образуващите котлен камък агенти върху нагревателната повърхност е рязко намалена. Повърхностноактивните вещества се адсорбират под формата на мономолекулен филм върху повърхността на зародишните кристали или възпрепятстват адхезията им към повърхността.

Силни стабилизиращо-пептизиращи свойства, способни да предотвратят коагулацията на частици в широк диапазон на съдържание на твърда фаза, са характерни за някои вещества против котлен камък, които обикновено присъстват във водата под формата на мицели и микромолекули.

В допълнение към тези реагенти се използват и някои комплексообразуващи агенти, например натриев хексаметафосфат Na (NaPO 3) 6 и някои други полифосфати.

В висока температура(до 120 0 С) и висока твърдост на водата, добър ефект дава използването на реагенти против котлен камък, съдържащи полиакрилова киселина, EDTA соли (Трилон В), сулфонол и др.

В допълнение към горното, котлен камък се отстранява (почиства) от повърхностите на уредите по химичен метод с помощта на реагенти - сярна, солна, лимонена, оцетна и др.

Технологични методи за ограничаване образуването на котлен камък. Те се използват предимно в изпарителни системи с вертикални тръбни нагревателни секции. Примери за технологични методи за ограничаване на образуването на котлен камък може да бъде използването на редовно отстранен газ (издухване на газ) от изпарители за насищане на захранващата вода с въглероден диоксид. Както е известно, въглеродният диоксид се отделя по време на термичното разлагане на бикарбонатите в газова фаза. Смесвайки го с вода в количество, което надвишава равновесната стойност, той придава на водата агресивни свойства по отношение на калциевия карбонат, което предотвратява отделянето му в бойлерите за захранваща вода. Трябва да се има предвид, че при излишно съдържание на въглероден диоксид във водата, което понижава pH, процесите на корозия на конструктивните материали се засилват.

Методи за получаване на чиста пара в изпарителни инсталации.

Замърсяването на наситена пара с неорганични съединения е свързано, първо, с увличане на влага (механично увличане) и, второ, с разтворимостта на определени вещества във водна пара. Механичното (капково) увличане има основния принос за замърсяването с пара. Обикновено изпарената вода се извършва под формата на капчици с размер от 0,5 до 3 микрона, образувани при унищожаване на парните мехурчета, които надхвърлят обема на водата.

Отстраняването на солите с пара се засилва, когато водата на изпарителя се пени, а структурата на пяната зависи от натоварването и налягането в изпарителя. Трябва да се подчертае, че закономерностите на увличане на капчици влага от пара действат по един и същи начин както за изпарителни инсталации, така и за други агрегати, произвеждащи пара. За осигуряване на висока чистота на парата в изпарителите се използват: обемно разделяне в парното пространство, за което се избира височината на парното пространство най-малко 1,5 метра, а за силно пенещи се разтвори - 2,5 - 3 метра; перфорирани листове пред входните тръби за пара за изравняване на скоростите на парата в тази зона; жалузи сепаратори за улавяне на капчици влага.

Ефективно средство за защитаЗа да се гарантира чистотата на парата, парата се промива с захранваща вода. Промиването обикновено се извършва чрез продухване на малки парни мехурчета през слой вода за промиване, чието съдържание на сол е много по-малко от съдържанието на сол в изпарената вода, което осигурява ефективност на промиване от най-малко 90%. В високи изискванияза качеството на дестилата, промиването с пара се извършва с външен или собствен кондензат, в някои случаи се организира двустепенно измиване с пара. Разгледаните мерки позволяват получаването на дестилат при захранване на изпарителите с омекотена вода, която отговаря на изискванията на PTE на електроцентрали и мрежи, използвани за електрозахранване без допълнително пречистване като допълнителна вода (захранване) за барабанни котли. При захранващи блокове с еднократни котли е необходимо допълнително пречистване на дестилата в BOU.

| | | | | | | | | | | 12 | | |

Раздел 132. Отстраняване на разтворени газове от водата

Най-често в процеса на пречистване на водата се изисква отстраняване на въглероден диоксид, кислород и сероводород. И трите газа са корозивни газове, които причиняват или засилват процесите на корозия на метала. Въглеродният диоксид също е корозивен за бетона. Свойството на тези газове да предизвикват и засилват корозионните процеси, както и неприятната миризма, която сероводородът придава на водата, в много случаи налагат най-пълното им отстраняване от водата.

Съвкупността от мерки, свързани с отстраняването на газовете, разтворени във вода от водата, се нарича обезгазяване на водата.

Използват се химични и физични методи за дегазиране на водата.

Същността на първото е използването на определени реагенти, които свързват газовете, разтворени във вода. Например, деоксигенирането на водата може да се постигне чрез въвеждане в нея на натриев сулфит, серен диоксид или хидразин. Натриевият сулфит, когато се въведе във вода, се окислява от кислород, разтворен във вода до натриев сулфат:

2Na2SO3 + О2 -> 2Na2SO4.

В случай на използване на серен диоксид се образува сярна киселина:

SO2 -f H2O - "- H2SO3,

който се окислява от кислород, разтворен във вода до сярна киселина:

2H2SO3-f O2 - * - 2H2SO4.

Химичен реагент, с който е възможно да се постигне

почти пълно деоксигениране на водата е хидразин.

Когато се въведе във вода, кислородът се свързва и се отделя инертен азот:

N2H4 + O2 -> - 2H2O-f-N2.

Последно химичен методдеоксигенирането на водата е най-съвършеното, но в същото време и най-скъпото поради високата цена на хидразина. Следователно този метод на приложение е основно за окончателно отстраняване на кислорода от водата след физически методи на нейното деоксигениране.

Пример за химичен метод за отстраняване на сероводород от водата е обработката на вода с хлор:

а) с окисление до сяра:

HJS + C12 - "- S + 2HC1;

б) с окисляване до сулфати:

H2S + 4C12 + 4H2O -> H2SO4 + 8HCl

Тези реакции (както и междинните реакции на образуване на тиосулфати и сулфити) протичат паралелно в определени съотношения, зависещи преди всичко от дозата хлор и рН на водата. Химичните методи за отстраняване на газ се характеризират със следните недостатъци: а) необходимостта от използване на реагенти, които усложняват и увеличават цената на процеса на пречистване на водата; б) възможността за влошаване на качеството на водата в случай на нарушаване на дозировката на реагентите. В резултат на това химическите методи за отстраняване на газ се използват много по-рядко от физическите.

Физическите методи за отстраняване на разтворени газове от водата могат да се осъществят по два начина: 1) водата, съдържаща отстранения газ, се привежда в контакт с въздуха, ако парциалното налягане на отстранения газ във въздуха е близко до нула; 2) създават се условия, при които разтворимостта на газа във вода става близка до нула.

Използвайки първия метод, тоест чрез аериране на вода, свободният въглероден диоксид и сероводородът обикновено се отстраняват, тъй като парциалното налягане на тези газове в атмосферния въздух е близко до нула.

Вторият метод обикновено трябва да се прибягва при деоксигениране на вода, тъй като при значително парциално налягане на кислорода в атмосферния въздух кислородът не може да бъде отстранен от водата чрез аериране на водата. За да се отстрани кислорода от водата, тя се довежда до кипене, при което разтворимостта на всички газове във водата пада до нула. Водата се довежда до кипене или чрез нагряване (термични деаератори), или чрез понижаване на налягането до такава стойност, при която водата кипи при дадена температура (вакуумни дегазатори).

Отстраняването на разтворените газове от водата в процеса на пречистване на водата се извършва на дегазатори различни видове, които според своя дизайн, естеството на движението на водата и въздуха и средата, в която се извършва процесът на дегазиране, могат да се класифицират, както следва:

1) филмови дегазатори, които са колони, заредени

окабелени с една или друга приставка (дървени, пръстени на Рашиг и др.),

през който водата тече надолу в тънък филм. Дюзата се използва за създаване

развита контактна повърхност на изпомпваната вода и въздух

вентилатор срещу водния поток;

2) мехурчета дегазатори, в които бавно се движа през леглото

сгъстен въздух се издухва през водата;

3) вакуумни дегазатори, където се използват специални устройства

(вакуумни помпи или водоструйни ежектори) създава такова налягане

състояние, при което водата кипи при определена температура.

В техниката за обработка на водата се използват главно филмови дегазатори, а вакуумни (или термични) дегазатори се използват за деоксигениране на вода. Дегазаторите с мехурчета се използват като изключение поради относително високите експлоатационни разходи (разход на енергия за компресия на въздуха).

При проектирането на дегазаторите трябва да се определят следните стойности: площта на напречното сечение на дегазатора, необходимия въздушен поток, площта на повърхността на опаковката, необходима за постигане на желания ефект на дегазиране.

Площта на напречното сечение на дегазаторите трябва да се определи според допустимата плътност на напояване на опаковката, т.е. консумация на водана 1 m2 от площта на напречното сечение на дегазатора. При дълбоко отстраняване на въглероден диоксид от водата (до 2-3 mg / l) на дегазатори, заредени с пръстени на Рашиг (25X25X3 mm), допустимата плътност на напояване на дюзата е 60 m3 / (m2 "h), специфичният разход на въздух е 15 m3 / m3; на дегазатори, заредени с дървена дюза, изработена от дъски, съответно 40 m3 / (m2 "h) и 20 m3 / m3; при деоксигениране на вода на вакуумни дегазатори, допустимата плътност на напояване на опаковката е 5 m3 / (m2 "h).

Необходимата повърхност на дюзите, заредени в дегазатора, се определя по формулата, дадена в § 131. Там са посочени и методите за определяне на останалите количества, включени в тази формула. Стойностите на K се намират за всеки тип дегазатор според съответните графики1.