что такое декарбонизация воды
О декарбонизации воды
В.С.Галустов, д.т.н., профессор.
Декарбонизацией называют удаление из воды свободного диоксида углерода СО2 для предотвращения углекислотной коррозии оборудования и сетей. Такая необходимость возникает в тех случаях, когда его содержание в воде в силу каких-либо причин многократно превышает равновесное.
Большое количество СО2 может образовываться в схемах умягчения воды с Н-катионированием или подкислением, а также при обезжелезивании артезианской воды. Декарбонизация – один из самых сложных массообменных процессов в цепочке подготовки воды в теплоэнергетике. Его протекание обуславливается большим числом взаимозависимых факторов, способных изменяться в широком диапазоне (например, растворимость СО2 в воде зависит от ее температуры, а та в процессе декарбонизации меняется). Поэтому надо поговорить об основных явлениях подробнее.
О процессе.
Цель декарбонизация – достижение концентраций СО2, близких к равновесной для системы «вода–воздух». Теоретически количество растворенного СО2 в воде при 40 °С при контакте с атмосферным воздухом, парциальное давление СО2 в котором равно 30 Па (0,03 % по объему), составляет 0,4 мг/дм3. Практически содержание СО2 в декарбонизированной воде значительно (в среднем 4–5 мг/дм3) выше. Малое (около 0,03 % по объему) содержание углекислого газа в воздухе позволяет отнести рассматриваемый процесс физической десорбции к процессам, подчиняющимся закону Генри, согласно которому растворимость (или концентрация) газа в жидкости пропорциональна его парциальному давлению над раствором:
где Р* – равновесное парциальное давление; k – коэффициент Генри, определяемый природой газа и температурой t и имеющий размерность давления; С* – равновесная концентрация (растворимость). Наборы значений коэффициента Генри и растворимости СО2 для системы «углекислый газ – вода» приведены в табл. 1.
Однако если бы равновесие определялось столь однозначно, не стоило бы заявлять о сложности процесса. Во-первых, следует иметь в виду, что в промышленной зоне содержание СО2 в воздухе может оказаться значительно больше указанных 0,03 % по объему, тогда и равновесная концентрация будет выше. Во-вторых, приведенные в табл. 1 значения С* справедливы только для чистой, фактически дистиллирован-ной воды. Присутствие в воде различных ионов и ее щелочность существенно влияют на растворимость СО2. На рис. 1дана отражающая этот факт номограмма, построенная для воды с сухим остатком 200 мг/кг при температуре 10 и 20 °С. При других значениях сухого остатка вводится поправочный коэффициент (табл. 2), т.е. содержание СО2 в воде равно значению, найденному по номограмме и умноженному на поправочный коэффициент.
Количество свободной углекислоты, поступающей на декарбонизацию после Н-катионирования или подкисления воды, определяется из уравнения:
где Жк – карбонатная жесткость, разрушаемая при Н-катионировании, мг-экв/л; (СО2)ив – содержание углекислого газа в воде, мг/л, (перед Н-катионированием).
Так как СО2 – труднорастворимый в воде газ, для завершения процесса его десорбции теоретически достаточно одной ступени контакта воды с воздухом, и преимущества в движущей силе противотока перед прямотоком мало заметны, что должно учитываться при выборе аппарата.
Противоточные декарбонизаторы.
По направлению движения фаз декарбонизаторы могут быть противоточными и прямоточными.
Фактически любые из известных противоточных контактных устройств могут использоваться для проведения процесса декарбонизации. Однако на практике в теплоэнергетике все разнообразие противоточных декарбонизаторов сводится к насадочным (в энергетике получили название насыпных) аппаратам (рис. 2). В качестве насадки в них используются керамические кольца Рашига трех типоразмеров. Эти кольца в нижних 8–12 слоях укладываются регулярно, а на всю остальную высоту засыпаются «в навал». Снизу вентилятором подается воздух.
Такие аппараты, безусловно, морально устарели (применяются более 60 лет), громоздки, дороги, трудоемки в обслуживании и ремонте.
Существенным недостатком насыпных декарбонизаторов является и то, что они разрабатывались на некоторые средние условия. В методике их расчета определяются только диаметр аппарата и высота слоя насадки, а такие существенные параметры, как плотность орошения и удельный расход воздуха, принимаются постоянными. Это значит, что при малых концентрациях СО2 у аппарата получится многократный запас, обуславливающий избыточные капитальные и энергетические затраты, а при больших – эффективность аппарата окажется недостаточной. Последнее обстоятельство служит серьезным аргументом в пользу индивидуального подхода к разработке декарбонизаторов.
Прямоточные декарбонизаторы.
В настоящее время использование прямотока в декарбонизации ограничено только эжекционными аппаратами. Есть два принципиально различных подхода к их конструированию. Первый – базируется на использовании хорошо известных водоструйных эжекторов. Однако коэффициент эжекции (отношение объема воздуха к объему воды) традиционного устройства не превышает 4, вследствие чего их применение в качестве декарбонизаторов ограничивается начальной концентрацией СО2 порядка 20 мг/кг, обычно же она в 3–15 раз выше. Предпринимались попытки реализовать многоступенчатый эжектор: струя воды по мере движения от ступени к ступени эжектирует новые порции воздуха. И хотя к последней ступени коэффициент эжекции удалось поднять до 20–30, трудно признать это решение удачным.
Второй подход базируется на теории прямоточных распылительных тепломассообменных аппаратов, имеющих разнобразное конструктивное оформление. Коэффициент эжекции при их использовании может достигать и превышать 1000, а производительность – находиться в диапазоне от единиц до сотен м3/ч, без ужесточения режимных параметров. На рис. 3 в качестве примера показан двухсторонний двухсекционный аппарат. Модульный подход, а также возможность любой степени секционирования позволяют обеспечить неограниченно широкий диапазон регулирования производительности декарбонизационной установки.
В заключение необходимо еще раз подчеркнуть, что расчет основных параметров процесса и декарбонизационной установки в целом следует осуществлять индивидуально, с учетом конкретных условий, в силу фактической неповторяемости исходных данных.
Декарбонизация воды
Компания «Комплексные решения» осуществляет полный спектр работ по подбору, проектированию и монтажу систем очистки и декарбонизации воды.
Чтобы получить бесплатное технико-коммерческое предложение достаточно:
Декарбонизацией называется процесс удаления из воды оксида углерода (СО 2 ), или просто углекислого газа. Его физическое растворение происходит до определённой равновесной точки, зависящей от давления и температуры воды. Задача декарбонизации – снизить избыточную концентрацию газа до его равновесного состояния. Обычно её применяют в таких случаях, как:
Коррозия особенно критична в технологических процессах, связанных с нагреванием воды. Разрушение металлических поверхностей может привести к перегреву рабочего оборудования и даже серьёзным авариям. Кроме того из-за продуктов коррозии ухудшается качество воды, что также может негативно влиять на конечную продукцию или эффективность технологических процессов.
Способы декарбонизации воды
Установка декарбонизаторов для удаления оксида углерода из воды
Декарбонизатор представляет собой специальный аппарат, похожий на трубу малого диаметра, прикреплённую к укороченной трубе большего диаметра с отверстиями для подключения трубопровода. Он либо заполнен распределителями воды различного типа (например, насыпными кольцами Рашига и др.). Либо продувается воздухом навстречу водному потоку с помощью вентиляторов. Это традиционный метод удаления углекислого газа из воды. Декарбонизатор ещё используется на некоторых предприятиях теплоэнергетики, но уже считается морально устаревшим. Кроме того, это достаточно громоздкое оборудование с дорогостоящими эксплуатационными расходами.
Эжекторные дегазаторы для устранения оксида углерода из воды
Эжекторные дегазаторы состоят из бака-реактора, двух эжекторов, секции для них, гидроциклона и вентилятора.
Делятся на:
Эжекторные дегазаторы считаются более современным и технологичным оборудованием, поэтому пользуются большей популярностью, чем декарбонизаторы старого образца.
Химический способ декарбонизации воды
Системы водоподготовки и декарбонизации воды
Специалисты компании «Комплексные решения» обладают широким опытом и высоким уровнем квалификации в области декарбонизации воды, водоочистки и водоподготовки. В работе применяется оборудование из комплектующих от лучших европейских и отечественных производителей.
Системы водоподготовки и водоочистки от компании «Комплексные решения» надёжны, эффективны и экономичны в эксплуатации. Они не требуют постоянного сервисного обслуживания и присутствия специально обученного персонала.
Обращайтесь, мы даём гарантию на качество воды.
Как получить бесплатное технико-коммерческое предложение
Оставьте свой номер телефона
и мы бесплатно перезвоним Вам
Декарбонизация воды
В воде растворены различные газы, соотношение между которыми зависит от pH, температуры, давления, химического состава воды и воздуха. Одним из таких газов является оксид углерода или углекислый газ.
Удалять из воды углекислый газ необходимо по нескольким причинам. Это помогает:
Способы удаления CO2 из воды
Если декарбонизация — процесс удаления углекислого газа, то декарбонизаторы — аппараты, предназначенные для решения этой задачи. Это дегазаторы с насыпными распределителями воды (насадками) или без них, продуваемые воздухом в направлении, обратном водному потоку.
Принцип работы оборудования основан на законах массопередачи. С помощью насадок удается многократно увеличить поверхность передачи и уменьшить размер конструкций. Примером может служить оборудование, изображенное ниже.
В установках такого типа воду распыляют над насадкой из колец и других элементов, изготовленных из нержавеющих материалов (чаще — пластмассы). Толщина слоя с насадкой — 2-2,5 м. Воздух нагнетают компрессором под насадку. Его расход в 20-40 раз выше расхода воды. Вода, освобожденная от углекислого газа поступает в емкость под контактную колонну.
Также находят применение аппараты эжекторного типа. По сравнению с классической конструкцией, они имеют небольшие размеры и высокую эффективность декарбонизации воды.
Если необходимо частичное удаление растворенного углекислого газа, то применяют более простые методы:
Концентрация CO2 в воде
Содержание углекислого газа можно определить лабораторным способом или по номограмме, которой учитывается зависимость концентрации CO2 от pH и щелочности воды.
Чтобы уточнить концентрацию оксида углерода, достаточно умножить полученное из номограммы значение на a.
В нашем каталоге представлены современные системы для очистки воды и комплектующие к ним. Это как оборудование для частных домов, так и компактные фильтры для воды под мойку. Пишите в чат или звоните — поможем. Работаем по всей Беларуси.
Декарбонизация воды
При эксплуатации систем водо- и теплоснабжения наиболее острой проблемой является внутренняя коррозия, которая приводит к сокращению срока эксплуатации оборудования и трубопроводов под действием циркулирующей в них воды, содержащей растворенные газы. К наиболее распространенным и опасным коррозионно-агрессивным газам относится СО2 (в литературе можно встретить названия: диоксид углерода, углекислый газ, свободная углекислота и т.п.).
Большое количество СО2, значительно превышающее равновесное, образуется за счет разрушения бикарбонатных ионов при умягчении или деминерализации воды с использованием Н-катионирования, подкисления или обратного осмоса.
Декарбонизация воды – это процесс удаления из нее СО2 до остаточной концентрации, близкой к равновесной в системе «вода-воздух».
Поскольку парциальное давление СО2 в воздухе значительно меньше равновесного давления этого газа в воде, СО2 может десорбироваться (выделяться) из воды в воздух. Чем больше поверхность соприкосновения фаз вода/воздух, тем эффективнее десорбция СО2.
Принцип действия декарбонизатора заключается в обеспечении большой поверхности соприкосновения фаз вода/воздух и десорбции СО2 из воды в воздух.
В качестве декарбонизаторов могут использоваться практически любые устройства, обеспечивающие высокую степень диспергирования исходной воды и большую площадь контакта ее с воздухом (противотоком или прямотоком).
Декарбонизаторы часто классифицируют по способу контакта фаз вода/воздух:
1. пленочные (с упорядоченной или неупорядоченной насадкой),
2. барботажные, капельные (вакуумно-эжекционные или распылительные),
Следует отметить, что, например, в технологии водоподготовки для теплоэнергетики, декарбонизация является сложнейшим процессом, поскольку растворимость СО2 в воде зависит от множества изменяющихся факторов (содержание СО2 в воздухе; температура, рН, минерализация, щелочность воды и т.п.).
Расчет параметров процесса декарбонизации и выбор типа аппарата всегда индивидуальны, поскольку исходные данные и граничные условия в каждой отдельной технологической схеме варьируются, например:
Наиболее распространенным типом декарбонизаторов воды являются противоточные пленочные аппараты с неупорядоченной насадкой, которые имеют высокую массообменную эффективность и низкие эксплуатационные затраты.
Другие типы декарбонизаторов применяют значительно реже и обоснование их выбора носит, как правило, индивидуальный характер.
Противоточные пленочные декарбонизаторы с неупорядоченной насадкой.
Это цилиндрические аппараты, заполненные так называемой «насадкой» — специальными объемными фигурами из нержавеющего материала, которые имеют большую удельную поверхность (керамические кольца
Рашига, Палля, седла Инталокс и др.)
В таком декарбонизаторе исходная вода поступает в верхнюю часть, где струями равномерно падает на насадку, по поверхности которой стекает тонкой пленкой в нижнюю часть аппарата. Снизу аппарата, навстречу водному потоку подается воздух, который увлекает за собой выделяющийся из воды углекислый газ и выходит через верхние патрубки.
Остаточная концентрация СО2 в жидкой фазе зависит от температуры, скорости потока воды, типа и объема насадки, а также от расхода воздуха.
Прямоточные распылительные декарбонизаторы.
При разработке прямоточных распылительных декарбонизаторов предполагалось создать аппараты, отличающиеся от насадочных декарбонизаторов меньшими габаритами и материалоемкостью.
При большом разнообразии конструкций этих аппаратов, все они основаны на создании высокоскоростного потока капель воды в эжекторном устройстве для обеспечения контакта воды с большим количеством воздуха.
Принцип работы (на рисунке показан двухсторонний двухсекционный аппарат): Обрабатываемая вода распыляется форсунками в щелевую рабочую зону, эжектируя за собой воздух и обеспечивая большую поверхность взаимодействия фаз. СО2десорбируется из воды в воздух. Далее обработанная ввода поступает в накопитель и направляется потребителю, а воздух вместе с СО2через каплеуловитель рассеиваются в атмосферу.
Декарбонизация воды — сложный технологический процесс
Декарбонизация воды — это процесс удаления из нее свободного диоксида углерода с целью предотвращения возникновения углекислотной коррозии систем водоснабжения и рабочего оборудования. Необходимость в декарбонизации возникает в тех случаях, когда уровень диоксида углерода по каким-либо причинам во много раз превышает установленные нормы.
Его большое количество обычно образовывается в системах для умягчения воды с подкислением или Н-катионированием, а также при обезжелезивании воды, поступающей из артезианских скважин. Следует сказать, что процесс декарбонизации является одним из самых сложных в проведении общей водоподготовки в теплоэнергетике. Для того, чтобы он протекал с максимальной эффективностью, необходимо соблюдение множества факторов, которые имеют свойство изменяться в большом диапазоне (пример, от температуры зависит и растворимость диоксида углерода, а она в процессе декарбонизации меняется очень часто).
Декарбонизация воды проводится с целью достижения такой концентрации диоксида углерода, чтобы она была максимально приближена к системам «вода-воздух». Номинально количество растворенного диоксида в воде с температурой 40 градусов во время контакта с открытым воздухом, в котором парциальное давление диоксида — 30 Па, равно 0,4 мг/куб.дм. В действительности содержание его в воде значительно выше (в пределах 4-5 мг/куб.дм.). Небольшое содержание в воздухе углекислого газа позволяет отнести десорбцию к процессам, которые подчиняются закону Генри, гласящему, что концентрация (или растворимость) в жидкости газа пропорционально его парциальному давлению.
Однако, если можно было столь однозначно определять равновесие, то декарбонизация воды не была бы таким сложным процессом. В первую очередь следует принимать во внимание то обстоятельство, что в промышленных районах содержание углекислого газа в окружающем воздухе может в несколько раз превышать указанные нормы, вследствие чего будет выше равновесная концентрация. Во-вторых, очень многое зависит и от качества самой воды — наличие в ней большого количества ионов, а также высокая щелочность оказывают существенное влияние на растворимость углекислого газа.
Поскольку углекислый газ довольно трудно растворяется в воде, то для завершения процесса декарбонизации теоретически хватает одной ступени контакта воздуха и воды. При этом преимущества противотока перед прямотоком заметны не очень сильно, что следует обязательно учитывать при выборе устройства для декарбонизации.
Оборудование для декарбонизации воды делится на противоточное и прямоточное, что зависит в основном от направления фаз движения.
Если говорить о противоточных системах декарбонизации, то практически все из них могут быть использованы в данном процессе. Однако в практическом использовании в теплоэнергетике применение противоточного оборудования для декарбонизации ограничивается насадочными аппаратами ( в энергетике их еще называют насыпными). В качестве насадок в данных системах водоочистки и водоподготовки применяются керамические кольца Рашига. В нижних 8-12 слоях данные кольца укладываются регулярно, а на остальной высоте насыпаются «в навал). Воздух подается снизу вентилятором.
Но на данный момент противоточные аппараты морально устарели, кроме того, они довольно громоздкие, слишком дорогие, и требуют дорогостоящего ремонта и обслуживания.
Поэтому сегодня декарбонизация воды осуществляется в основном прямоточными устройствами, которые, в свою очередь, ограничиваются эжекционными аппаратами. Существует два принципиально разных подхода к конструированию данного оборудования водоочистки. Первый основывается на применении хорошо зарекомендовавших себя водоструйных эжекторах. Но дело заключается в том, что коэффициент эжекции (соотношение объемов воды и воздуха) в устройстве с традиционной конструкцией не выше 4-х, вследствие чего использовать их для декарбонизации воды целесообразно только в тех случаях, когда концентрация углекислого газа в воде не превышает 20 мг/кг.
Таким образом, сегодня наиболее эффективными признаны распылительные тепломассообменные аппараты, коэффициент эжекции в которых достигает 1000.