1.2 Термическая деаэрация воды

Термическая деаэрация воды основана на использовании закона растворимости газов в жидкости закона Генри. Согласно этому закону, концентрация газа, растворенного в жидкости, зависит от концентрации того же газа в газовой или парогазовой смеси над жидкостью. Концентрация газа С в жидкости прямо пропорциональна концентрации газа С_г в газовой или парога­зовой смеси. Если С_г=0, то С=0.

Концентрация газа С - прямо пропорциональна его парциальному давлению р_г. Парциальное давление отдельного газа - это давление, которое он имел бы, если бы один занимал весь объем смеси газов. Общее давление газовой или парогазовой смеси р равно сумме парциальных давлений газов и паров, составляющих смесь (закон Дальтона):

Так как С_г прямо пропорциональна р_г, то зависимость С от С_г можно представить как зависимость С от р_г и выразить закон Генри применительно к воде так: растворимость газа в воде прямо пропорциональна его парциальному давлению над водой:

С = ψр_г, мг/кг,

где ψ – коэффициент растворимости газа в воде.

Коэффициент растворимости газа ψ зависит от температуры. С повышением температуры ψ уменьшается, стало быть, растворимость газа с повышением температуры также уменьшается. Значения коэффициентов ра­створимости ψ в воде кислорода (О₂), азота (N₂) и углекислого газа (CO₂)

На зависимости растворимости газов в воде от тем­пературы и давления основана работа термического деаэратора. Для удаления из воды газов необходимо создать в деаэраторе температуру и давление, при которых растворимость газа станет равной нулю

Рассмотрим, как эти условия достигаются. Кипение жидкости происходит при такой температуре, при которой давление паров жидкости по величине равно полному давлению в пространстве над жидкостью. Следова­тельно, при кипении воды давление водяных паров равно полному давлению над кипящей водой, и тогда парциальные давления газов в парогазовой смеси над кипящей водой практически близки к нулю. Стало быть, согласно закону Генри (2), растворимость газов в кипящей воде равна нулю.

При нагревании вода испаряется. С повышением температуры увеличи­вается испарение воды. При этом повышается парциальное давление водяных паров в воздухе над поверхностью воды. Поскольку общее давление над водой неиз­менно, то, в согласии с законом Дальтона, парциальное давление воздуха понижается, соответственно понижается и парциальное давление кислорода в воздухе. С повышением температуры уменьшается коэффициент раство­римости ψ кислорода в воде. Обращаясь к формуле (2), видим, что растворимость кислорода в воде при нагревании уменьшается вследствие одновременного уменьшения коэффициента растворимости ψ и парциального давления кислорода р_т над водой. Доведем нагрев воды до температуры кипения. Как известно, при атмосферном давлении вода кипит при температуре 100° С. Парциальное давление р_т кислорода над кипящей водой равно нулю. Следовательно, по закону Генри растворимость кислорода в воде при атмосферном давлении и температуре 100° С (со­стояние кипения) также равно нулю.

Если давление над водой выше атмосферного, то соответственно выше температура кипения. Поэтому для постижения нулевой растворимости газов при давлении ниже атмосферного требуется более высокий нагрев воды. Например, при давлении 4 бар температура кипения воды 143° С, следовательно, до этой температуры необходимо нагреть воду, чтобы снизить растворимость газов до нуля.

Итак, нулевая растворимость газов в воде при любом давлении достигается при кипении воды. Практически в термических деаэраторах воду удается нагреть до температуры немного ниже температуры кипения. Для достижения наибольшей глубины деаэрации добиваются, чтобы разность между температурой кипения и конечной температурой воды в деаэраторе была минимальной 0,1-0,2° С. Эту разность температур называют догревом воды.