Если предположить условия: что вся свободная углекислота выделится в деаэраторной колонке. Затем в деаэраторном баке выделится углекислота от разрушения половины полусвязанного бикарбоната; далее в котле выделится вторая половина полусвязанного бикарбоната, а также в деаэраторе и в котле будет происходить гидролиз карбоната натрия. То можно сказать, что в деаэраторе выделится количество углекислоты, равное четверти содержания бикарбонат-иона (щелочности) подпиточной воды, а в котле выделится количество углекислоты, численно равное трем четвертям значения щелочности подпиточной воды. Значение рН деаэрированной воды будет 9,99.
Запишем:
СО2пит=3/4*Щподп, ммоль/л (9)
где СО2пит концентрация связанной и полусвязанной углекислоты в питательной воде;
Щподп щелочность подпиточной воды, ммоль/л.
Запишем уравнение материального баланса по углекислоте для деаэратора (рис. 1).
(1-q) *CO2пит+q*СО2под=1*СО2пит (12)
где q доля подпитки воды ХВО или доля потери конденсата;
СО2пит концентрация углекислоты в питательной воде равна СО2пар.
Данная запись уравнения материального баланса углекислоты в деаэраторе предполагает, что концентрация углекислоты в паре равна концентрации углекислоты в питательной воде. Т.е. в котле происходит полное разложение бикарбонатов и карбонатов, и возврат конденсата осуществляется в деаэраторный бак (не деаэраторную колонку) (рис. 1).
Решив уравнение, получаем
СО2пит=СО2под=3/4*Щподп (13)
Получается, что в случае возврата конденсата без отгонки свободной углекислоты (в деаэраторный бак) содержание углекислоты в питательной воде не зависит от доли возврата конденсата. В производственной практике автора довольно часто встречаются подобные случаи. Даже при возврате 90% конденсата в котельную, при неправильной работе деаэратора конденсат содержит большое количество углекислоты и коррозионно агрессивен.
Т.е. если щелочность подпиточной воды 2,5 ммоль/л и доля подпитки составляет всего 10%, содержание углекислоты в конденсате составит ¾*2,5=0,93 ммоль/л или 0.93*44=41мг/л, что превышает допустимое количество углекислоты в паре (20 мг/л) в 2 раза. Это говорит о том, как важно отгонять углекислоту из конденсата при возврате его в деаэратор.
Если производится отгон углекислоты из конденсата. Конденсат возвращают в деаэраторную колонку (рис. 2), тогда
(1-q) * CO2конд + q * СО2под =1 * СО2пит
CO2конд = 0
СО2пит = q * СО2под (14)
Тогда для вышеприведенных условий
СО2пит=0,1*3/4*2,5=0,093 ммоль/л или 4,1 мг/л.
Для значения щелочности подпиточной воды 2,5 ммоль/л в случае «идеальной» работы деаэратора, т.е. значительный подогрев исходной воды 80 0С и более; использование пара на «зеркало», продувку деаэрационной колонки; использование пара на барботаж, при этом температуру воды в баке лучше поддерживать не менее 108 0С; время нахождения воды в деаэрационном баке не менее 1 часа. При данном режиме работы можно получить значение рН деаэрированной воды около 10,3 (из собственного опыта эксплуатации). При этом ранее было показано, что в деаэраторе отгоняется 1/3 часть угольной кислоты. Соответственно, концентрация углекислого газа в питательной воде и, соответственно, в паре составит:
При отсутствии возврата конденсата:
СО2пит=1/3*2,5=0,83 ммоль/л или 36,7 мг/л.
Концентрация СО2 в паре близка к нормативу (до 20 мг/л)
При возврате конденсата 50%:
СО2пит=1/3*0,5*2,5=0,417 ммоль/л или 18,3 мг/л.
При любом проценте возврата конденсата без отгонки углекислоты в деаэраторной колонке:
СО2пит=1/3*2,5=0,83 ммоль/л или 36,7 мг/л.
Даже при «идеальной» работе деаэратора возврат конденсата без предварительной отгонки углекислоты в деаэраторной головке приводит к повышенному содержанию углекислоты в паре.
Приведенные выше примеры и расчеты предполагают полное разложение бикарбонатов и гидролиз карбонатов в котле. Тем не менее считается, что в реальных условиях, как уже было сказано, полное разложение не достигается. Для оценки степени разложения бикарбоната и гидролиза карбоната на работающем котле достаточно провести анализ на щелочность котловой воды по фенолфталеину и метилоранжу. Доля неразложившегося карбоната и бикарбоната в котле определяется долей метилоранжевой щелочности в общей щелочности котловой воды.
СО2пит=1/3*2,5=0,83 ммоль/л или 36,7 мг/л.
Даже при «идеальной» работе деаэратора возврат конденсата без предварительной отгонки углекислоты в деаэраторной головке приводит к повышенному содержанию углекислоты в паре.
Приведенные выше примеры и расчеты предполагают полное разложение бикарбонатов и гидролиз карбонатов в котле. Тем не менее считается, что в реальных условиях, как уже было сказано, полное разложение не достигается. Для оценки степени разложения бикарбоната и гидролиза карбоната на работающем котле достаточно провести анализ на щелочность котловой воды по фенолфталеину и метилоранжу. Доля неразложившегося карбоната и бикарбоната в котле определяется долей метилоранжевой щелочности в общей щелочности котловой воды.
к =Щм. о/ (Щф/ф+ Щм. о) (15)
где к доля углекислоты, оставшаяся в виде бикарбоната и карбоната в котловой воде после отгонки части углекислоты;
Щм. о щелочность по метилоранжу, моль/л;
Щф/ф щелочность по фенолфталеину, моль/л.
Для пояснения рассмотрим несколько примеров.
Предположим, щелочность исходной воды составляет НСО3 = 10 ммоль/л. Производим отгонку углекислоты. Затем производим анализ воды на щелочность по фенолфталеину и метилоранжу. В результате получаем, что количество кислоты на титрование по фенолфталеину равно 1 мл, по метилоранжу 9 мл.
Запишем схему разложения бикарбоната (процесс разложения бикарбоната описан в статье «Определение количества бикарбонатов, карбонатов и гидратов в воде в зависимости от значения рН воды»):
8,0NaHCO3 1,0Na2CO3+1,0CO2газ+Н2О
Т.е. концентрация бикарбоната 8,0 ммоль/л, карбоната 1 ммоль/л. Количество выделившегося углекислого газа составит 1,0 ммоль/л. Исходное количество бикарбоната было 10 ммоль/л.
Получаем:
к =Щм. о/ (Щф/ф+ Щм. о) =9/ (9+1) =0,9
0,9 доля углекислоты, оставшаяся в виде бикарбоната и карбоната в воде.
Т.е. только 10% углекислоты было удалено, что соответствует схеме разложения бикарбоната. Исходного бикарбоната 10 ммоль/л, количество удаленного углекислого газа 1,0 ммоль/л.
Продолжаем отгон углекислоты из воды и получаем следующие показатели.
По результатам анализа: количество кислоты по фенолфталеину 6 мл, по метилоранжу 4 мл.
Запишем схему разложения бикарбоната:
2,0NaHCO3 2,0Na2CO3+2,0CO2газ+Н2О <-> 4NaOH+4CO2газ
Т.е. концентрация бикарбоната 2,0 ммоль/л, карбоната 2,0 ммоль/л, гидрата 4 ммоль/л. Количество выделившегося углекислого газа составит 2,0+4,0=6 ммоль/л.
Получаем:
к = Щм. о/ (Щф/ф+ Щм. о) =4/ (6+4) = 0,4
0,4 доля углекислоты, оставшаяся в виде бикарбоната и карбоната в воде.
Т.е. только 60% углекислоты было удалено, что соответствует схеме разложения бикарбоната. Исходного бикарбоната 10 ммоль/л, количество удаленного углекислого газа 6,0 ммоль/л.
Пример из производственной практики: паровой котел. Давление пара 8 бар. Для подпитки используется Na-катионитовая вода с щелочностью 2,0 ммоль/л. Деаэраторная головка отсутствует. Возврат конденсата непосредственно в деаэраторный бак в количестве 70% от паропроизводительности. Доля подпитки ХВО 0,3. Температура в деаэраторном баке поддерживается при помощи барботажа на уровне 9099 0С.
Получаемая при этом щелочность котловой воды
Щф/ф = 20,0 21,0 ммоль/л
Щм. о= 1,5 2,0 ммоль/л
тогда
к =1,5/ (20+1,5) =0,07, или в процентах 7%.
Т.е. количество оставшегося в котловой воде бикарбоната и карбоната составит 7% от количества бикарбоната и карбоната, поступивших в котел.
Таким образом, для данного рассматриваемого примера можно записать, что концентрация углекислоты в паре составит:
СО2пара = (10,07) * Щпит= 0,93*2,0 = 1,86 ммоль/л или 81,84 мг/л
Концентрация углекислоты в паре значительно превышает нормативную.
Если в данном примере установить деаэраторную колонку и производить отгонку углекислоты из конденсата при подаче его в бак, получим:
СО2пара = 0,3 * (10,07) * Щпит= 0,3 * 0,93 * 2,0 = 0,558 ммоль/л или 24,5 мг/л,
что фактически соответствует требованиям норматива.