СПОСОБ ДЕАЭРАЦИИ ВОДЫ Российский патент 2005 года по МПК C02F1/20 C02F103/02 

Изобретение относится к области деаэрации воды и может быть использовано для удаления из нее растворенных газов, низкокипящих органических соединений, фитопланктона и др. в процессах водоподготовки, кондиционирования и фильтрации воды в цехах химводоподготовки, на ГЭС, ТЭЦ и др.

Во многих случаях низкое качество продукции и износ оборудования связаны с наличием в воде газов (например, в теплоэнергетике, горячем водоснабжении и др.) чаще всего приходится удалять из воды углекислоту, кислород, сероводород и др., которые усиливают процессы коррозии металлов, а в случае углекислоты и бетона.

Широкое распространение для удаления из воды растворенных газов получили физические методы, сущность которых заключается в следующем. 1. Вода, содержащая удаляемый газ, приводится в соприкосновение с воздухом, когда парциальное давление этого газа в воздухе близко к нулю. 2. Создаются условия, при которых растворимость газа в воде становится ничтожно малой.

При помощи первого способа, т.е. аэрации воды, обычно удаляют свободную углекислоту и сероводород, поскольку парциальное давление этих газов в атмосферном воздухе близко к нулю. Ко второму способу прибегают при обескислороживании воды, так как ввиду значительного парциального давления кислорода в атмосферном воздухе аэрацией воды кислород удалить нельзя. Поэтому воду доводят до кипения, применяя либо нагревание, либо понижение давления до величины, при которой вода кипит без дополнительного подогрева.

Известен способ деаэрации воды в конденсаторах паровых турбин [1]. Согласно этому способу деаэрация воды происходит в конденсаторе турбины с последующей деаэрацией всей питательной воды в деаэраторе повышенного давления после предварительного подогрева в регенеративных подогревателях.

Недостаток этого способа связан с необходимостью поддержания в условиях длительной эксплуатации достаточно высокой герметизации вакуумной системы, включая конденсатор турбины, регенеративные подогреватели и узел конденсатных насосов, работающих под разрежением. Даже небольшие подсосы воздуха в вакуумную часть конденсационной установки, в частности через краны водоуказательных стекол и сальники конденсатных насосов, резко ухудшают эффективность деаэрации. Все это значительно усложняет технологию деаэрации воды.

Предложен способ обескислороживания воды, основанный на том, что эжектор, подающий воду, из которой удаляют кислород, подсасывает предварительно обескислороженный воздух. Под влиянием разности концентраций растворенный в воде кислород переходит из жидкой фазы в газообразную. Газ отделяется от воды в специальном десорбере и затем - в сепараторе. Обескислороживание воздуха происходит в герметичном реакторе, загруженном древесным углем и омываемом топочными газами с температурой 500-800°С. При помощи описанного способа [2] можно достигнуть практически полного обескислороживания воды.

Применение данного способа ограничивается тем, что для обескислороживания воздуха, подсасываемого эжектором, необходимы топочные газы с высокой температурой, т.е. наличие котельной. Кроме того, в этом дегазаторе не удается одновременно с обескислороживанием воды обеспечить необходимую степень удаления углекислоты.

Кроме указанных выше аппаратов, для удаления из воды растворенных газов применяют несколько других типов дегазаторов: пленочные с различного рода насадками, работающие в условиях противотока дегазируемой воды и воздуха, подаваемого вентилятором; пленочные, работающие без принудительной подачи воздуха; струйно-пленочные (контактные) градирни, барботажные вакуумные.

Известен способ деаэрации воды с помощью пленочного дегазатора с насадкой из колец Рашига или с деревянной хордовой насадкой [3].

Согласно этому способу вода подводится в верхнюю часть секции дегазатора, затем сливается в нижнюю секцию, в которую подводится сжатый воздух. Воздух барботирует через слой воды и дегазирует ее.

Описаны способы деаэрации воды в пенном режиме [4].

Основным конструктивным элементом этих аппаратов служит перфорированная пластина (решетка). Вода небольшим слоем протекает вдоль решетки и под действием поперечного тока воздуха, подаваемого через ее отверстия, вспенивается.

Недостаток барботажных дегазаторов заключается в их сравнительно высокой эксплуатационной стоимости (большой расход энергии на компрессию воздуха). Поэтому в технике водоподготовки для удаления газов (кроме кислорода) применяют пленочные дегазаторы: для обескислороживания воды - вакуумные или термические дегазаторы.

Известен способ термической деаэрации вода под вакуумом до 0,3 кгс/см² с использованием деаэрационной колонки [5], имеющей две ступени дегазации - струйную и барботажную. Согласно этому способу вода сначала поступает на верхнюю тарелку колонки, из которой перетекает через отверстия в нижерасположенную перепускную тарелку в секцию барботажа, где обрабатывается паром и выводится из установки.

Известен способ термической дегазации воды при атмосферном или повышенном давлениях (до 6-8 кгс/см²) в струйной колонке с затопленным барботажным устройством [6], принятый за прототип. В соответствии с этим способом конденсат или дегазируемая вода также подается на верхнюю тарелку колонны, где смешиваются, а затем сливаются на вторую дырчатую тарелку и далее в бак-аккумулятор. После выдержки в баке вода поступает в барботажное устройство, где обрабатывается паром и выводится из колонки.

К недостаткам способа термической деаэрации воды относится. Необходимость: точного нагрева воды до температуры кипения, соответствующей давлению в деаэраторе; тонкого разбрызгивания воды с целью создания максимальной поверхности для выделения газов; длительного пребывания воды в деаэраторе для выделения газов и разложения бикарбоната натрия, что снижает производительность установки; полного удаления из деаэратора выделившихся из воды газов; точного регулирования подвода греющего пара для поддержания температуры кипения воды и вентиляции деаэратора. На всем пути между паром и водой в деаэраторе должен обеспечиваться четко выраженный противоток и максимальная разность между равновесным давлением газа в воде и его парциальным давлением над водой, что значительно усложняет схему регулирования работы установки деаэрации воды.

Эффективность удаления из воды свободной углекислоты значительно ниже, чем эффективность удаления кислорода, особенно при наличии свободной углекислоты в греющем паре, а термическое разложение бикарбоната натрия начинается только после полного удаления из воды всей свободной углекислоты.

Общий недостаток всех существующих способов деаэрации воды заключается в том, что они не могут одновременно удалить из воды все присутствующие в ней газы (углекислоту, кислород, сероводород и др.) и низкокипящие органические жидкости - хлороформ, четыреххлористый углерод и др.).

Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности, упрощение технологии и снижение энергетических затрат в процессе деаэрации воды.

Указанная задача решается за счет того, что в способе деаэрации воды, заключающейся в ее нагревании и диспергировании с последующим удалением десорбированных газов, обработку воды проводят в кавитационном аппарате при температуре 0-95°С, числе оборотов ротора навигатора 3000-12000 в минуту и числе циклов 1-50.

В процессе кавитации, сопровождаемой люминесценцией, ионизацией и др. воды, образуются пузырьки размером 50-120 мкм, приводящие к диспергированию жидкости [7]. Эти кавитационные пузырьки заполнены газом, паром или их смесью. Захлопывание пузырьков сопровождается адиабатическим нагревом газа в пузырьках, до температуры порядка 10⁴°С [8]. Вследствие этого происходит нагревание жидкости (вода), способствующее ее деаэрации.

Если жидкость насыщена газом, то он диффундирует в пузырьки и полного их захлопывания не происходит. Всплывая, такие пузырьки уносят газ и уменьшают содержание газа в жидкости. Пузырьки могут быть наполнены не только газом, но и парами жидкостей с невысокими температурами кипения (хлороформом и др.), что также приводит к их удалению из воды.

Пузырьки захлопываются во время полупериодов сжатия, создавая кратковременные (порядка 10^-6 с) импульсы давления (до 10³ Мн/м²=10⁴ кгс/см² и более). Эти импульсы давления, возникающие в кавитационных пузырьках, обуславливают мгновенные разрывы и гибель микроорганизмов и простейших [9].

Процесс кавитации воды может проводиться при температурах от 0 до 95°C. Наличие мелких кристаллов льда в воде не ограничивает возможности способа, поскольку в процессе кавитации происходит ее нагревание. Поэтому увеличение температуры выше 95°С приводит к вспениванию воды, что нежелательно.

С повышением температуры вода степень ее деаэрации в кавитационном аппарате увеличивается.

При невысоких температурах воды (ниже 10°С) необходимую степень деаэрации воды можно достигнуть путем увеличения времени ее обработки, когда она нагревается.

Число оборотов ротора кавитатора равно 3000-12000 в минуту. При низких числах оборотов (меньше 3000 в минуту) степень диспергирования воды уменьшается, что понижает эффективность процесса деаэрации (больше время обработки воды). Увеличение числа оборотов ротора кавитатора выше 12000 в минуту повышает эффективность процесса деаэрации воды, но ограничивается техническими возможностями.

Оптимальное число циклов обработки воды при температуре 15-20°С равно 8-10. Уменьшение числа циклов ниже 8 уменьшает эффективность деаэрации воды. Повышение числа циклов обработки более 50 увеличивает степень деаэрации воды, но понижает производительность установки.

При увеличении температуры воды выше 20°С необходимая степень ее деаэрации достигается при числе циклов меньше 8, а при более низких температурах (меньше 15°С) число циклов обработки воды повышается более 10.

Сущность предлагаемого способа поясняется на примерах.

Пример 1. Вода Волчихинского водохранилища, Свердловская область, с технической характеристикой, приведенной в таблице 2, пропускается через кавитационный аппарат, описанный в патенте № 2131087, МКИ 6 F 23 K 5/12, F 23 D 11/34) при температуре 20°С, числе оборотов ротора кавитатора 5000 в минуту и числе циклов 50. После обработки в кавитаторе получается вода с технической характеристикой, представленной в таблице 1. Из таблицы 1 следует, что после кавитационной деаэрации увеличивается рН воды и уменьшается содержание в ней ПАВ, растворенного кислорода, свободной углекислоты, кремния и фитопланктона.

Пример 2. Водопроводную воду г. Екатеринбурга, имеющую техническую характеристику, приведенную в таблице 2, обрабатывают в кавитационном аппарате, указанном в примере 1, при температуре 30°С, числе оборотов ротора кавитатора 3000 в минуту и числе циклов 40. Результаты деаэрации воды приведены в таблице 2. Как видно, после обработки воды в кавитаторе у нее увеличивается рН и уменьшается содержание растворенного кислорода, свободной углекислоты, кремния, хлороформа и трихлорэтилена.

Аналогичные результаты получены при кавитационной обработке вод Исетского пруда, Исетского водохранилища и воды из скважины Карасье-озерска, Свердловская область.

Применение предлагаемого способа, по сравнению с прототипом [6], позволяет исключить необходимость точного нагрева воды до температуры кипения, длительного пребывания воды в деаэраторе для удаления газов, полного удаления из деаэратора выделившихся из вода газов, точного регулирования подвода греющего пара и упростить схему регулирования работы установки. Эффективность удаления из воды свободной углекислоты в предлагаемой способе значительно выше, чем в прототипе [6]. Кроме того, предлагаемый способ, по сравнению с прототипом [6], позволяет удалить из воды низкокипящие органические жидкости - хлороформ, трихлорэтилен, а также кремний и фитопланктон.

Литература

1. Вихров B.Ф., Шкроб М.С. Водоподготовка. М.: Энергия. 1973. С.206.

2. Сб. Теоретические основы и технология кондиционирования воды. Процессы и аппараты. Киев. Наукова думка. 1983. С.383.

3. Там же. С.279-280.

4. Там же. С.280.

5. Вихрев В.Ф., Шкроб М.С. Водоподготовка. М.: Энергия. 1973. C.195-198.

6. Там же. C.199-202.

7. Гривнин Ю.А., Зубрилов А.С., Зубрилов С.П., Афанасьев Д.В.// Ж. физ. химии. 1996. Т.70. № 5, С.927-930.

8. Большая Советская энциклопедия. М.: Советская энциклопедия. 3-е изд. 1973. Т.II. С.111-113.

9. Перник А.Д. Проблемы кавитации. 2-е изд. Л.:1966.

Таблица 1
Результаты обработки в навигационном аппарате (КА) воды Волчихинского водохранилища, Свердловская область.№№ пп.ПоказателиИсходная водаВода после обработки в КА при 20°С, числе оборотов ротора КА 5000 в минуту и числе циклов 501.ЛКП (коли-индекс)55502.рН7,27,93.Общая минерализация (сухой остаток), мг/дм190,5186,54.Жесткость общая, ммоль/дм³2,753,155.Окисляемость перманганатная, мг О₂/дм³4,235,26.Нефтепродукты, мг/дм³0,030,2097.ПАВ, аниоиоактивные,мг/дм³0,240,1698.Щелочность, моль/д³1,921,899.Растворенный кислород, мг О₂/дм³11,047,4910.Свободная углекислота (СО₂), мг/дм³14,522,7311.Кремний (Si), мг/дм³3,93,212.Фитопланктон (биомасса), мкг/дм³0,6259013.Фитопланктон (численность), тыс. кл/дм³315,48,3

Таблица 2
Результаты деаэрации в навигационное аппарате (КА) водопроводной воды г. Екатеринбурга.№№ пп.ПоказателиИсходная водаВода после обработки в КА при 30°С, числе оборотов ротора КА 3000 в минуту и числе циклов 401.рН7,27,52.Общая минерализация (сухой остаток), мг/дм³1441513.Жесткость общая, ммоль/дм³2,051,854.Окисляемость перманганатная, мг О₂/дм³4,884,555.Нефтепродукты, мг/дм³0,0170,0326.ПАВ, анионоактивные, мг/дм³0,1840,2237.Щелочность, моль/дм³118.Растворенный кислород, кг О₂/дм³9,136,819.Свободная углекислота (СО₂), мг/жм³6,931,7610.Кремний (Si), мг/дм³2,31,611.Хлороформ, мг/дм³0,0510,03512.Трихлорэтилен, мг/дм³0,0050,0015

Изобретение относится к деаэрации воды и может быть использовано для удаления из нее растворенных газов, низкокипящих органических жидкостей, кремния, фитопланктона и др. Изобретение позволяет повысить эффективность, упростить технологию и снизить энергетические затраты в процессе деаэрации воды. Это достигается путем нагревания, диспергирования воды и удаления из нее газов в кавитационном аппарате при температурах 0-95°С, числе оборотов ротора кавитатора 3000-12000 в минуту и числе циклов 1-50. 2 табл.

Способ деаэрации воды, заключающийся в ее нагревании и диспергировании с последующим удалением десорбированных газов, отличающийся тем, что обработку воды проводят в кавитационном аппарате при температуре 0-95°С, числе оборотов ротора кавитатора 3000-12000 в минуту и числе циклов 1-50.