حذف ناخالصی های گازی آب-گاز زدایی آب دیگ بخار(بخش اول)

در این مطلب دلایل و اهمیت گاززدایی آب دیگ بخار مورد بررسی قرار می گیرد. همچنین انواع گازهای محلول در آب و نحوه حذف آنها در بخش دوم مطلب گاززدایی آب بویلر بررسی می شود.

گازهای مختلف زیادی می توانند در آب به صورت محلول وجود داشته باشند. هیدروژن سولفید، كربن دی اكسید، اكسیژن، آمونیاك، كلرین و نیتروژن از جمله گازهایی هستند كه بیشتر از بقیه گازها در آب وجود دارند.

نوع و میزان گازهای محلول در آب به شرایط محیطی، منبع آب، مسیر عبور آب، دما، فشار و جنس گاز بستگی دارد. حلالیت گازها در آب را می توان طبق رابطه تعادلی هنری بیان كرد،

Y_A=mx_A

در این رابطه M ثابت هنری است كه به دما، فشار و جنس گاز بستگی دارد و x_A جز مولی گاز A در آب و Y_Aجز مولی گاز A در فاز گاز می باشد.

طبق رابطه دالتون می توان نوشت ،

Y_A=P_A/P_T (12-2

رابطه تعادلی هنری را می توان به صورت دیگری هم نوشت كه در آن ثابت هنری برحسب واحد فشار می باشد،

Y_A=P_A/P_T=mx_Að P_A= P_{T. mxA} (12-3

P_A=H_XA . H=MP_T

طبق این قانون می توان نتیجه گرفت كه :

1-حلالیت گازها در آب بطور مستقیم متناسب با فشار جزئی آن در اتمسفر در حال تماس با آب است. بنابراین با كاهش فشار جزئی گاز می توان غلظت آن را در آب كم كرد.

2-تغییرات ثابت هنری (M) با دما بصورت افزایشی است، لذا می توان نتیجه گرفت كه حلالیت گاز با افزایش دمای حلال كاهش خواهد یافت و از نظر تئوری، در دمای اشباع تماس گازهای تركیب نشده از آب خارج می شوند.

این دو نتیجه اساس كار هوازداها را تشكیل می دهد.

گازهای موجود در آب به دو صورت می توانند وجود داشته باشند. یك دسته مثل اكسیژن و نیتروژن سولفید و آمونیاك با توجه به PH آب می توانند هم بصورت تركیب نشده (گاز ) در آب موجود باشند و هم می توانند با آب تركیب شده و تولید یون كنند كه در این صورت برای حذف آن ها باید عملیاتی را كه برای حذف یون ها بكار برده می شود، مورد استفاده قرار داد.

 

12-1 اثرات ناخالصی های گازی آب دیگ بخار

اكسیژن و نیتروژن از جمله گازهای محلول در آب هستند كه در اثر تماس آب با هوا در آب حل می شوند.

نیتروژن

این گاز حلالیت كمی در آب دارد و نیز به دلیل میل تركیبی خیلی كم، مشكل چندانی ایجاد نمی كند.

اكسیژن

اكسیژن به همراه PH كم خاصیت خورندگی شدیدی دارد. یكی از جدی ترین مسائلی كه اكسیژن می تواند ایجاد كند، خوردگی حفره ای است. البته حلالیت اكسیژن در دما و فشار های مختلف، تغییر می كند.

دی اكسید كربن

این گاز در اثر حل شدن در آب به آن خاصیت خورندگی می دهد، ضمن اینكه خورندگی را نیز تشدید می كند. برای دانستن نحوه عمل گاز CO₂در آب، بایستی به بررسی PH پرداخته شود.

همانگونه كه در نمودار شكل (12-2) مشخص شده است در PH های بالا كه آب به سمت خاصیت بازی داشتن میل می كند CO₂ بیشتر به صورت تركیب زائد در می آید و باعث قلیائیت اب می شود، ولی در PH های اسیدی، دی اكسید كربن بصورت گاز در آب خواهد بود و پائین ترین PH در شرایط STP برابر 6/4 می باشد.

Co₂₊OH^-1!_“HOC_-3

كلر

گازی است كه بطور طبیعی در آب وجود ندارد و معمولا در مرحله كلرزنی بمنظور ضد عفونی كردن وارد آب می شود. كلرین با توجه به قدرت اكسید كنندگی زیاد، به غشاء و رزین های یونی آسیب می رساند.

آمونیاك

این گاز بطور طبیعی می تواند در آب وجود داشته باشد و اثرات مخربی روی آلیاژهای مس دارد.

هیدروژن سولفید

این تركیب در برخی از آب های زیرزمینی دیده می شود و دلیل آن وجود نوعی مواد آلی مخصوص در خاك است كه در اثر تجزیه غیر هوازی تولید هیدروژن سولفید می كنند. حداكثر غلظت آن در آب كمتر از 10ppm است، ولی مقدار 0.1ppm آن در آب بوی نامطلوب و مشخصی را ایجاد می كند.

این گاز در آب موجب خوردگی جداره لوله های فولادی می شود و با تشكیل رسوب سولفور آهن و ته نشینی آن روی رزین های تعویض یونی موجب تخریب رزین ها می شود.

لذا با توجه به مشكلاتی كه برخی از گازهای محلول می توانند بوجود آورند لازم است كه پیش از ورود آب به واحدهای تعویض یونی، كندانسورها، بویلرها، دیگ های بخار و حتی لوله های انتقال، عملیات گاز زدایی  انجام پذیرد.

لازم به توضیح است كه در مواردی مانند تصفیه آب های آشامیدنی و فاضلاب ها، افزودن اكسیژن و هوادهی عملی لازم و ضروری است، ضمنا حذف برخی از گازها نظیر كربن دی اكسید به روش هوادهی با صرفه تر و آسانتر می باشد.

 

12-2 روش های گاز زدایی  آب دیگ بخار

بطور كلی برای حذف ناخالصی های گازی آب بویلر دو شیوه عمده وجود دارد.

الف) روش های فیزیكی حذف گازها

ب) روش های شیمیایی حذف گازها

در مواردی كه حجم آب مورد تصفیه زیاد و غلظت گازهای محلول، بالا باشد از روش فیزیكی استفاده می شود، چون این روش مقرون به صرفه خواهد بود. هزینه های سرمایه گذاری، تجهیزات و دستگاه های مورد استفاده در این شیوه بالا است ولی با سرشكن شدن هزینه های كل روی هزینه های روزانه، در مجموع با صرفه تر از روش شیمیایی خواهد بود.

مزیت روش شیمیایی نسبت به فیزیكی در آن است كه در روش شیمیایی می توان گفت كه حذف گازها از آب بطور كامل انجام می شود در حالی كه در روش فیزیكی هیچگاه حذف گازها صددرصد نیست و احتیاج به یك عملیات شیمیایی بصورت تكمیل كننده خواهد بود.

 

12-2-1 روش های فیزیكی حذف گازها

حذف فیزیكی گازها براساس قانون هنری قابل توصیف است. بدین گونه كه كاهش فشار جزئی گاز سبب كاهش غلظت گاز در آب می شود. برای این منظور می توان روش های زیر را اعمال نمود :

الف) افزایش دمای آب : با این عمل، فشار بخار آب افزایش می یابد و بر طبق قانون دالتون، چون فشار كل گازها برابر با مجموع فشار های جزئی گازها می باشد لذا با افزایش فشار بخار آب فشار جزئی گازهای ناخالص كاهش میابد و مقداری از گاز محلول در آب خارج می شود.

ب) دمیدن گاز : با وارد كردن گازی مانند ازت كه تقریبا بی اثر است می توان غلظت گاز مورد نظر را در آب كاهش داد.

پ) گاز زدایی  تحت خلاء : با این عمل كلیه گاز های محلول، از آب خارج می شوند.

ت) گاز زدایی تحت فشار : با تحت فشار قرار دادن سطح آب توسط یك گاز بی اثر می توان گازهای محلول در آب را خارج نمود. معمولا در صنعت به جای استفاده از یك گاز بی اثر نظیر ازت، از بخار آب برای تغییر فشار كمك می گیرند. استفاده از بخار آب دارای مزایای زیر است:

– آلوده نشدن آب.

– سهولت تهیه و مصرف.

– افزایش دمای آب و كمك به گاز زدایی  بهتر.

روش های مختلف فیزیكی بر اساس اصول فوق، برای حذف گازها بكار می روند.

 

ث) هوادهی (Aeraion)

هوادهی فرایندی است كه در آن آب و هوا در تماس نزدیك با هم قرار داده می شوند. از هوادهی برای حذف سایر گازها به جز اكسیژن استفاده می شود. در اثر هوادهی میزان اكسیژن محلول در آب افزایش می یابد و در نتیجه فشار جزئی اكسیژن افزایش یافته و فشار جزئی سایر گازها كم شده و از آب خارج می شوند. هوادهی برای موارد مختلفی بكار گرفته می شود كه عبارتند از :

– حذف گاز هیدروژن سولفوره و تركیبات آلی.

– حذف گاز كربنیك.

– حذف گازهایی مانند متان كه تجمع این گاز در یك محیط بسته می تواند سبب انفجار شود.

 

هوادهی را می توان به دو صورت انجام داد:

روش اول : در این شیوه آب زائد توسط افشانك هایی بصورت قطرات ریز از بالا به پایین پاشیده می شود و هوا از پایین به بالا جریان می یابد و تماس بین دو فاز برقرار می شود. این روش در صنایع كاربرد بیشتری دارد. دستگاهی كه این عمل در آن انجام می شود “گاز زدا” نام دارد.

روش دوم : در این روش هوا توسط توزیع كننده های مخصوصی از كف مخزن آب به بالا می روند باید بتوانند هوا را بصورت حباب های ریز و یكنواخت در سرتاسر مخزن پخش كنند.

معمولا قطر نازل ها را حدود 5/2 سانتی متر می گیرند. این نازل ها قادرند در هر ساعت، 18 لیتر هوا را بافشاری حدود 7/0 اتمسفر در آب توزیع كنند. هر نازل می تواند 3 تا 9 درصد از سطح مخزن هوادهی را تحت پوشش قرار دهد.

 

گاززدا (Degasor)

گاززدا برجی است كه در آن توسط افشانك هایی از بالا به پایین پاشیده می شود و هوا توسط یك كمپرسور از پایین برج به بالا دمیده می شود. اگر ذرات معلق و گرد و غبار همراه هوا باشند، قبل از ورود هوا به داخل برج توسط فیلتر حذف می شوند.

از دستگاه گاز زدا بیشتر برای زدودن دی اكسید كربن از آب استفاده می شود و هرچه سطح تماس و زمان هوا با آب بیشتر باشد درصد دی اكسید كربن دفع شده از آب بیشتر خواهد بود. لذا برای ایجاد شرایط فوق برج را بصورت سینی دار می سازند و یا داخل برج را از آكنه های پلاستیكی یا سرامیكی، مانند راشیگ رینگ پر می كنند.

آكنه ها قطعات مشخصی هستند كه نسبت سطح به حجم آنها زیاد است بعبارتی سطح ویژه زیادی دارند بنابراین امكان تماس بیشتر آب با هوا را فراهم می كنند.

زیادتر كردن اوضاع ارتفاع برج به مفهوم زمان تماس طولانی تر است. البته وجود آكنه با سطح ویژه زیاد به بالا بردن زمان تماس كمك می كند و نیز افت فشار كمتری ایجاد می كند و كار دمیدن و عبور هوا در برج را بامشكل خاصی روبرو نمی كند. اصولا شرایط كلی زیر باید در گاز زداها وجود داشته باشند:

1. حداكثر سطح مشترك بین آب و بخار را ایجاد كند.
2. دمای آب را تا حد امكان به دمای بخار اشباع نزدیك كند.
3. در محفظه “گاززدائی ” فشار جزئی گازی كه قرار است حذف شود باید تا حد امكان كم شود.(طبق قانون هنری)

 

1- هوازدایی (Cold Dearation)

هوازدایی سرد به گونه ای است كه هیچ هوایی به داخل آب دمیده نمی شود بلكه با خلائی كه توسط یك مولد خلاء ایجاد می شود، فشار روی سطح آب كاهش می یابد و درجه حرارت آب به دمای اشباع می رسد و با این كار بخار آب تولید می شود كه وجود آن باعث كاهش زیاد فشار جزئی همه گازها می شود. در دمای اشباع از نظر تئوری همه گازهای محلول در آب از آن خارج می شوند.

در مواردی كه نتوان بخار را ارزانتر به دست آورد از پمپ های مكانیكی مولد خلاء استفاده می شود اما معمولا هزینه ایجاد خلاء با پمپ بسیار زیاد است و با افزایش نرخ خلاء این هزینه بسرعت زیاد می شود، ولی هرچه مقدار خلاء بیشتر باشد میزان غلظت باقی مانده گاز كمتر خواهد بود.

در روش هوازدایی سرد، با صرفه ترین روش ایجاد خلاء توسط جت بخار می باشد. برای به دست آوردن خلاء زیاد از سیستم های چند مرحله ای جت بخار استفاده می شود.

یكی از مشكلات این روش كه سبب عدم استفاده از آن بطور وسیع در صنایع می شود كنترل خلاء در برج های هوازدایی سرد می باشد. از جمله مزایای روش هوازدایی سرد این است كه به دلیل نبودن اكسیژن در آب از اكسیداسیون رزین های آنیونی جلوگیری می شود در نتیجه عمر رزین كاهش نمی یابد.

 

2-هوازدایی گرم (Hot Dearation)

در هوازدایی گرم دمای آب را تا دمای اشباع در فشار داخل هوازدا می رسانند تا اكسیژن و دیگر گازها از آب خارج شوند. چون هدف، حذف گازهایی مانند اكسیژن و كربن دی اكسید است از دمیدن هوا استفاده نمی شود بلكه از بخار آب استفاده می شود.

در این صورت بخار آب ورودی ،دمای آب را تا دمای اشباع افزایش می دهد و از نظر تئوری انتظار می رود كه همه گازهای محلول در آب از آن خارج می شوند.

هوازداهای گرم به دلیل سهولت كاربرد و نگهداری بر هوازداهای سرد ترجیح دارند و صنایع بیشتر از آن استفاده می كنند. در مورد هوازداهای گرم باید توجه داشت كه دمای آب خروجی به گونه ای تنظیم شوند (حداكثر 50 درجه سانتی گراد) تا موجب كاهش كارایی رزین های آنیونی نشود.

 

حذف ناخالصی های گازی آب-گاز زدایی (بخش دو)