CC BY
22УДК 66.066.66.048
А.В. Базанов*, А.М. Кутепов*, В.Н. Блиничев*
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗЕРКАЛА ИСПАРЕНИЯ НА УНОС ИОНОВ ВТОРИЧНЫМ
ПАРОМ ИЗ ВЫПАРНЫХ УСТАНОВОК.
("Институт химии растворов РАН, Ивановский государственный химико-технологический университет) E-mail: [email protected]
Рассмотрено влияние изменения температуры зеркала испарения от 98 до 103 °C на унос ионов выпариваемых растворов солей NaCl, Na2SO4 различных начальных концентраций вторичным паром. Показано, что унос ионов выпариваемых соединений зависит от нагрузки зеркала испарения и от режима барботажа. Построены графики зависимостей уноса катионов и анионов соединений натрия от температуры зеркала испарения.
В химической, нефтеперерабатывающей промышленности, цветной металлургии, энергетике и ряде других отраслей промышленности большую долю в общем объеме производства занимает выпаривание различного рода растворов. Например, еще в середине прошлого века в пищевой промышленности выпаривалось за год более 150000000 т. воды. При испарении и выпаривании отводится огромное количество вторичных паров, состав которых определяет пути их дальнейшего использования. Известно, что при выпаривании растворов во вторичном паре имеются ионы выпариваемых веществ, которые могут уноситься с паром как в связи с их растворимостью в паре, так и в виде капельного уноса. До сих пор неизвестно, какое влияние оказывает температурный режим процесса выпаривания на качество получаемого пара (конденсата). Поэтому нами были проведены исследования по экспериментальному изучению влияния температуры зеркала испарения на унос ионов выпариваемых соединений ЫаС1, Ыа2804 вторичным паром. Цель нашей работы, анализируя условия барботажа пузырей в объеме выпариваемого раствора, вскрыть те сопровождающие барботаж явления и закономерности, которые при достижении некоторых условий вызывают возникновение выбросов капельной влаги в паровой сепарационный объем и тем самым обусловливают возможность существенного загрязнения получаемого пара (конденсата) ионами выпариваемых соединений.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для исследования уноса ионов солей была спроектирована и изготовлена лабораторная установка, представляющая собой вертикальный выпарной аппарат с сепаратором (рис. 1). На установке осуществлялось автоматическое регулиро-
вание температуры нагрева, ручное измерение и регистрация разности температур между циркулирующим в греющей камере раствором и теплоносителем на входе и выходе, измерение производительности установки по конденсату вторичного пара. Парогенератор, конденсатор, сборник конденсата, сепаратор, паропроводы изготовлены из стекла, что исключало вероятность попадания дополнительных ионов, например, продуктов коррозии аппаратуры. Сконденсированный в сборнике конденсата пар анализировался с помощью атом-но-абсорбционного спектрофотометра
«SATURN» для определения концентрации в конденсате положительных ионов солей (катионов). Метод имеет хорошую воспроизводимость, величина относительного среднеквадратического отклонения (Sr) не более 0,10 - 0,15 %. Метод титрометрии использовался для определения концентрации в конденсате отрицательных ионов солей (анионов). Относительное стандартное отклонение при титромет-рическом методе анализа составляло не более 0,2 % [1].
Объектами исследования явились выпариваемые растворы NaCl, Na2SO4. Работа велась с растворами химически чистых солей. В качестве растворителя использовалась дистиллированная вода. По окончании каждого опыта раствор удалялся из установки, и установка тщательно промывалась дистиллированной водой. Солевой раствор различной начальной концентрации помещался в объем выпарной установки, после чего происходил процесс выпаривания и отбирался конденсат. При низких солесодержаниях выпариваемого раствора, при которых солесодержание пара оказывается уже столь малым, что находится на границе (а часто и за её пределами) точности соответствующих методов аналитического определения, эксперименты не проводились. Экспери-
ментальные исследования проводились при изменении начальной концентрации раствора от 6 до 240 г/л.
единений был проведен целый ряд экспериментов (температура зеркала испарения - 98 °С режим испарения, температура зеркала испарения - 101 °С режим нестабильного кипения, температура зеркала испарения - 103 °С режим стабильного кипения). В ходе работы для соединений ЫаС1 и №а$04 проводились исследования стабильности барботажа и уноса ионов выпариваемых растворов при изменении температуры зеркала испарения от 98 °С до 103 °С. На графиках (рис. 2 - рис. 9) представлены зависимости уноса ионов выпариваемых растворов в зависимости от концентрации и температуры зеркала испарения.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки по исследованию уноса ионов с паром. 1- отвод высококонцентрированного раствора; 2- исходный выпариваемый раствор; 3- термостат; 4- корпус выпарной установки; 5- сепарационное устройство; 6- охлаждающая вода; 7- конденсатор; 8- сконденсированый пар; 9- емкость
сбора конденсата. Fig. 1. Experimental evaporator system scheme to study ion loss by secondary vapour . 1 - concentrated solution output; 2 - initial evaporating solution; 3 - thermostat; 4 - evaporating device body; 5 - separator ; 6 - cooling water; 7 - condenser; 8 - condensed steam; 9 - condensate gathering volume.
Установка состоит из выпарной установки (4), термостата (3), сепаратора (5), конденсатора (7), сборника конденсата (9). Парогенератор, конденсатор, сборник конденсата, сепаратор, паропроводы изготовлены из стекла, что исключало вероятность попадания дополнительных ионов, например, продуктов коррозии аппаратуры. Термостат (3) позволяет поддерживать постоянную температуру при процессе выпаривания. Температура в зоне кипения и в термостате контролировалась термометрами с точностью ±0,5 °С. Сконденсированный в сборнике конденсата 9 пар анализировался с помощью атомно-абсорбционного спектрофотометра «SATURN» для определения концентрации в конденсате положительных ионов солей (катионов). Метод имеет хорошую воспроизводимость, величина относительного среднеквадрати-ческого отклонения (Sr) не более 0,10 - 0,15 %. Метод титрометрии использовался для определения концентрации в конденсате отрицательных ионов солей (анионов). Относительное стандартное отклонение при титрометрическом методе анализа составляло не более 0,2 %.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для определения влияния температуры зеркала испарения на унос ионов из растворов со-
■5 0
о f0
s о
§ 0 5 0
022 020 018 016 014 012 010 008 006 004 002 000
98 99 100 101 102 Температура зеркала испарения, С
103
Рис. 2. Зависимость уноса положительных ионов NaCl от
T
зеркала испарения
диапазон 98 C - 103 C. 1- начальная концен-
трация 24 г/л; 2- начальная концентрация 18 г/л; 3- начальная
концентрация 12 г/л; 4- начальная концентрация 6 г/л. Fig. 2. Positive ion loss dependences for NaCl on Tevaporation milror , temperature range is 98°C - 103°C. 1- initial concentration is 24 g/L; 2- initial concentration is 18 g/L; 3- initial concentration is 12 g/L; 4- initial concentration is g/L.
—0,045 О
f0,040 о
S 0,035 s
g 0,030 x
£ 0,025
S 0,020
o0,010
I
>
0,005 A
98
99
100
101
102
Температура зеркала испарения, С
103
Рис.
T
3. Зависимость уноса положительных ионов NaCl от черкала испарения диапазон 98°C - 103°C. 1- начальная концентрация 240 г/л; 2- начальная концентрация 180 г/л; 3- начальная концентрация 120 г/л; 4- начальная концентрация 60 г/л. Fig. 3. Positive ion loss dependences for NaCl on Tevaporation mirror , temperature range is 98°C - 103°C. 1- initial concentration is 240 g/L; 2- initial concentration is 180 g/L; 3- initial concentration is 120 g/L; 4- initial concentration is 60 g/L.
0
0
Si 0
0
0
0
¿30,015
i; 0,011
gf 0,010 0,009
i 0,008
0
x 0,007
1 0,006 .a
ф 0,005
I-
■§■ 0,004 s
и 0,003 o
g 0,002
> 0,001 0,000
98
99
100
101
102
103
Температура зеркала испарения, С
Рис. 4. Зависимость уноса отрицательных ионов NaCl от Тикала испарения диапазон 98°C - 103°C. 1-начальная концентрация 24 г/л; 2-начальная концентрация 18 г/л; 3-начальная
концентрация 12 г/л; 4-начальная концентрация 6 г/л. Fig. 4. Negative ion loss dependences for NaCl on Tevaporation mirror , temperature range is 98°C - 103°C. 1- initial concentration is 24 g/L; 2- initial concentration is 18 g/L; 3- initial concentration is 12 g/L; 4-initial concentration is 6 g/L.
Ö 0,05 f
О 0,04-
3 0,03-
0,02-
0,01 -
0,00
98
99
100
101
102
103
Температура зеркала испарения, °С
Рис. 5. Зависимость уноса отрицательных ионов МаС1 от
зеркала испарения
диапазон 98 C - 103 C. 1- начальная концентрация 240 г/л; 2- начальная концентрация 180 г/л; 3- начальная концентрация 120 г/л; 4- начальная концентрация 60 г/л. Fig. 5. Negative ion loss dependences for NaCl on Tevaporation ^о,- , temperature range is 98°C - 103°C. 1- initial concentration is 240 g/L; 2- initial concentration is 180 g/L; 3- initial concentration is 120 g/L 4- initial concentration is 60 g/L
При анализе полученного экспериментального материала было замечено, что унос практических всех соединений при высоких температурах зеркала испарения оказывался зависящим от нагрузки зеркала испарения - унос вторичными парами увеличивался с её ростом (рис. 2 - 9). При росте зеркала испарения непосредственное значение имела сама нагрузка, увеличивающая скорости прохода пара через уровень зеркала испарения, а, следовательно, и высоту заброса капель в паровое пространство.
При малых нагрузках зеркала испарения (98 °С) движение единичных пузырей гидродинамически не связано, и рост нагрузки в этих условиях сопровождается только ростом набухания
водяного объема без роста подъемной скорости движения пузырей.
Увеличение температуры зеркала испарения до 101 °С показало, что по своей природе газожидкостный поток в граничной нестабильной зоне кипения не является установившимся. В силу этого размер пузырей, образующийся на поверхности нагрева, не может быть стабильным, и характеризуется целым спектром размеров, что приводит к большим погрешностям при оценочных замерах уноса ионов выпариваемого раствора вторичным паром.
L- 0,020
о* % 0,018
£ 0,016
О
I о 0,014
S
X J3 0,012
I
.0 Ц Ф 0,010
1- S £ 0,008
о
Ц 0,006
С
о 0,004
о
> 0,002
0,000
98
99
100
101
102
103
Температура зеркала испарения, 0С Рис. 6. Зависимость уноса положительных ионов Na2SO4 от Тзерктаиспарения диапазон 98°C - 103°C. 1- начальная концентрация 24 г/л; 2- начальная концентрация 18 г/л; 3- начальная концентрация 12 г/л; 4- начальная концентрация 6 г/л. Fig. 6. Positive ion loss dependences for Na2SO4 on Tevaporation mirror , nemperature range is 98°C - 103°C. 1- initial concentration is 24 g/L; 2- initial concentration is 18 g/L; 3- initial concentration is 12 g/L; 4- initial concentration is 6 g/L.
0,024-,
0,022
0,020
0,018
0,016
0,014
0,012
0,010
0,008
0,006-
98
102 Or
103
99 100 101 Температура зеркала испарения, 0С
Рис. 7. Зависимость уноса положительных ионов
Na2S04 от Тзеркалаиспартия диапазон 98°С- 103°С. 1- начальная концентрация 240 г/л; 2- начальная концентрация 180 г/л; 3- начальная концентрация 120 г/л; 4- начальная концентрация 60 г/л.
Fig. 7. Positive ion loss dependences for Na2SO4 on Tevaporation mirror,
temperature range is 98°C - 103°C. 1- initial concentration is 240 g/L; 2- initial concentration is 180 g/L 3- initial concentration is 120 g/L 4- initial concentration is 60 g/L
4
4
3
4
0,016-, 0,014 0,012 -0,010 -0,0080,0060,0040,002 0,000 -
98
99
100
101
102
103
Температура зеркала испарения, С
Рис. 8. Зависимость уноса отрицательных ионов Na£04 от тзер^аитарешя диапазон 98°С - 103°С. 1- начальная концентрация 24 г/л; 2- начальная концентрация 18 г/л; 3- начальная концентрация 12 г/л; 4- начальная концентрация 6 г/л. Fig. 8. Negative ion loss dependences for Na2SO4 on Tevaporation milror , temperature range is 98°C - 103°C. 1- initial concentration is 24 g/L; 2- initial concentration is 18 g/L; 3- initial concentration is 12 g/L 4- initial concentration is 6 g/L
" 0,030-,
1
0,028 0,026 0,024 0,022 0,020 0,018 0,016 0,014 0,012 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 0,000
98
99„
100
101
102
103
Температура зеркала испарения, С Рис. 9. Зависимость уноса отрицательных ионов Na£04 от тзеркала испарения диапазон 98°С - 103°С. 1- начальная концентрация 240 г/л; 2- начальная концентрация 180 г/л; 3- начальная концентрация 120 г/л; 4- начальная концентрация 60 г/л. Fig. 9. Negative ion loss dependences for Na2SO4 on Tevaporation mirror , temperature range is 98°C - 103°C. 1- initial concentration is 240 g/L; 2- initial concentration is 180 g/L; 3- initial concentration is 120 g/L 4- initial concentration is 60 g/L
Очевидно различия в размерах пузырей порождают различия в форме и устойчивости их движения, о чем свидетельствуют, в частности, непосредственные визуальные наблюдения [5]. Неодинаковость первоначальных размеров пузырей порождает неодинаковость подъемных скоростей их движения, в связи с чем крупные пузыри нагоняют меньшие и за счет этого растут. Но чем крупнее пузырь, тем выше размер тех усилий, которые пузырь испытывает в подъемном движении, тем легче он деформируется жидкостным потоком, тем меньше его прочность. Деформируемость формы пузыря делает неустойчивым его движение, траектория которого становится зигзагообразной. Неравномерное распределение усилий по поверхности пузыря при таком движении
создает возможность растягивания пузыря на части, которое наиболее вероятно в моменты более или менее резких изменений направления его движения. Поэтому возможен такой размер, достижение пузырем которого в данных условиях рано или поздно влечет за собой его разрушение [5 - 7]. Как показывают исследования Шваба В. А. [6], необходимость роста пузырей за счет их конгломерации и существования их предельного размера заставляют полагать возможность существования таких участков потока, в пределах которых средний размер пузырьков близок к максимальному, и газожидкостный поток должен иметь стабилизированный участок, в пределах которого характеристики процесса выпаривания в условиях устойчивого кипения останутся неизменными.
При дальнейшем росте нагрузки зеркала испарения было замечено, что подъемное движение пузырей при интенсивном кипении обусловливает ускорение частиц жидкости, барботируе-мой пузырями, и, в конечном итоге, участие части жидкости в подъемном движении вместе с пузырями [5]. При отсутствии подъемного (опускного) расхода жидкости, сопровождающегося повышением (понижением) уровня расположения зеркала испарения, суммарный расход подъемных токов должен компенсироваться опускными токами жидкости; область барботажных процессов, в пределах которой имеет место постоянная во времени взаимная компенсация подъемных токов отпускными, и будет областью стабильного бар-ботажа [2, 4]. Выполнение условия стабильности барботажа возможно лишь в условиях организованного движения жидкости в объеме, которое возможно только при движении пузырей цепочками. Непосредственные наблюдения за подъемом пузырьков, проведенные нами и целым рядом исследователей процесса барботажа, свидетельствуют об этом [3, 5, 7]. Поток, характеризуемый наличием цепочек пузырей (рис. 2 - 9, температура зеркала испарения 103 °С), наиболее устойчив, ибо ему отвечает саморегулируемое, а потому наиболее устойчивое распределение фаз. Движение пузырей цепочками обеспечивает образование внутри и вокруг цепочек подъемного тока жидкости; а вне цепочек - опускного тока, что говорит о существовании и в безнапорном барбо-тажном потоке того же механизма, который обеспечивает сепарируемость пузырей в ядре напорного потока. Таким образом, стабильный барбо-таж ограничен той пропускной способностью водяного объема, которая еще возможна в условиях развившегося движения цепочками. При достижении этого предела появляется критическая нагрузка зеркала испарения, и в процессе барботажа че-
2
рез воду пузырьки пара начинают интенсивно увлекать за собой жидкость, создавая её подъемное движение, которое компенсируется отпускными токами. С увеличением нагрузки доля сечения, занимаемая поднимающимися пузырьками пара, увеличивается, число подъемных «цепочек» пузырей пара растет, а доля сечения для опускных токов уменьшается. Это ограничивает увеличение числа «цепочек» паровых пузырей. С дальнейшим ростом нагрузки начинаются пульсации, затрудняется доступ опускных токов в глубину, где происходит накопление пара и в результате возникает периодический выброс им влаги из глубины в паровой объем. Это является и причиной изменения закономерности уноса ионов выпариваемых соединений, и причиной интенсификации выброса капельной влаги в паровой объем. Наступит второй режим неустойчивого кипения, когда площадь поперечного сечения, занимаемая поднимающимся пузырем, становится очень большой. Именно поэтому критические условия загрязнения пара ионами выпариваемых соединений во многом обусловлены возникновением режимов выброса при критических нагрузках зеркала испарения.
В ходе работы было установлено, что нагрузка зеркала испарения оказывает непосредственное влияние на качество получаемого пара (конденсата). Унос ионов выпариваемых соединений условно можно разделить на три области -область докризисную, где переход ионов из выпариваемого раствора в пар осуществлялся, за счет непосредственного растворения ионов в паре, при этом нагрузка зеркала испарения была минимальна (98 °С); область стабильного барботажа - стабильная постоянная нагрузка зеркала испарения (103 °С); третьей областью является область нестабильного барботажа (101 °С), сопровождаемая переменной пульсирующей нагрузкой зеркала испарения с периодическими выбросами мелкодисперсной влаги в паровой объем. Из данных, представленных на рис. 6, наглядно видно, что даже при наличии в установке высокоэффективного
сепарирующего устройства унос положительных ионов в режиме неустойчивого кипения (101 °С) возрос примерно в 6, а в режиме устойчивого кипения в 8 ^ 10 раз. Для получения чистого пара (конденсата) в режимах интенсивного кипения и высокой нагрузки зеркала испарения прежде всего необходима более полная осушка пара, т.е. сепарация мелких капель влаги из потока отводимого из установки пара, а также поддержание условий стабильного барботажа.
Для получения высококачественного пара, в котором содержание ионов выпариваемых веществ определяется лишь их растворимостью в паре, во всех выпарных станциях необходима установка высокоэффективных сепарационных устройств. В противном случае вторичный пар будет очень сильно загрязнен солями выпариваемых веществ. В связи с этим совершенствование технологических процессов с целью уменьшения уноса ионов выпариваемого раствора вторичным паром выпарной установки, а также разработка надежной методики расчета солесодержания получаемого вторичного пара и дистиллята является одной из важнейших задач развития химической и других, смежных с ней, отраслей промышленности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Стырикович М.А., Резников М.И. Методы экспериментального изучения процессов генерации пара. М.: Энергия. 1977. 279 с.
2. Маргулова Т.Х. Методы получения чистого пара. М.: Госэнергоиздат. 1955. 180 с.
3. Резников М.И., Липов Ю.М. Котельные установки электростанций. М.: Энергоатомиздат. 1987. 230 с.
4. Стырикович М.А., Мартынова О.И., Миропольский З.Л. Процессы генерации пара на электростанциях. М.: Энергия. 1969. 312 с.
5. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. М.: Энергия. 1976. 296 с.
6. Шваб В.А. Труды Томского политехнического института. Томск. 1950. С. 82 - 101.
7. Кутепов А.М. и др. Химическая гидродинамика. М.: Бюро Квантум. 1996. 336 с.
Лаборатория химии и технологии нелинейных процессов
