6.2. Технология удаления диоксида углерода в декарбонизаторе

Способ удаления из воды свободной CO₂ в декарбонизаторах методом аэрации широко применяется на ВПУ. На примере работы декарбонизатора легко показать, что можно не только десорбировать из воды одновременно все газы, растворенные в ней, но также осуществлять избирательную десорбцию какого-либо газа. Это достигается согласно закону Генри снижением парциального давления данного газа над водой без снижения общего давления и подогрева воды, что уменьшает энергетические потери. Практически это реализуется продувкой воды газом (или смесью газов), в составе которого десорбируемый газ или отсутствует, или, что чаще, его концентрация чрезвычайно низка.

Образующийся в схемах ВПУ диоксид углерода, являясь коррозионно-активным, также участвует в анионообменных процессах на сильноосновном анионите, уменьшая рабочую емкость. Поэтому в тех схемах ВПУ, где CO₂ образуется по реакции:

H⁺ + HCO₃^- ↔ H₂CO₃ ↔ CO₂ + H₂O

При H-катионировании или подкислении, его необходимо удалить из воды. Осуществляется это в специальных аппаратах - декарбонизаторах - путем продувки воды воздухом, подаваемым вентилятором.

Декарбонизатор (рис. 6.2) представляет собой колонну, заполненную насадкой (деревянная, керамические кольца Рашига и др.) для дробления потока воды, подаваемой сверху на стекающие пленки, что увеличивает поверхность контакта воды и воздуха. Воздух, нагнетаемый вентилятором, движется в насадке навстречу потоку воды и затем вместе с выделившимся CO₂ выводится через верхний патрубок. Расход воздуха принимается равным 20 м³ на 1 м³ воды.

Рис. 6.2. Схема конструкции декарбонизатора:
1 – цилиндрический корпус; 2 – насадка; 3 - отвод газовой смеси; 4 - подвод воды; 5 - распределительные трубки для подачи воды на насадку; 6 - верхний щит; 7 - подвод воздуха; 8 - отвод декарбонизированной воды; 9 - нижний поддерживающий насадку щит

Теоретически растворимость CO₂ в воде при 40°C при контакте с атмосферным воздухом, парциальное давление CO₂ в котором равно 30 Па (0.03% по объему), составляет 0.4 мг/дм³, практически содержание CO₂ в декарбонизированной воде значительно выше (в среднем 4 - 5 мг/дм³). Это объясняется, в первую очередь, значительным отклонением процесса десорбции от равновесия. Кроме физических факторов большое значение на эффективность процесса декарбонизации оказывает величина pH, которая регулирует соотношение форм угольной кислоты в воде (CO₂ + HCO₃^- + CO₃^2-). С уменьшением pH доля CO₂ возрастает и увеличивается эффективность декарбонизации воды. При pH > 8.5 CO₂ полностью переходит в ионные формы, поэтому в декарбонизаторе не удаляется.

Расчет декарбонизатора состоит в определении геометрических размеров поверхности насадки и необходимого напора, создаваемого вентилятором. Площадь поперечного сечения декарбонизатора f_д определяется по плотности орошения насадки, т. е. по расходу воды, приходящемуся на единицу площади поперечного сечения декарбонизатора. Для насадки из колец Рашига плотность орошения принимают равной 60 м³/(м² · ч), откуда:

где Q_д - производительность декарбонизатора, м³/ч.

Диаметр декарбонизатора, м, определяют из уравнения:

,

(6.8)

Размер колец Рашига, используемых при создании насадки в декарбонизаторах любой производительности, составляет 25 ´ 25 ´ 3 мм, удельная поверхность - 204 м²/м³, масса - 532 кг/м³, свободный объем 1 м³ насадки - 0.74 м³/м³.

Требуемую площадь поверхности насадки F_н, м² определяют по уравнению:

.

(6.9)

Значения k_м и DC_ср определяют по графикам, приведенным на рис. 6.3 и рис. 6.4. Количество удаляемой CO₂ в декарбонизаторе находят по (6.6).

Рис. 6.3. Зависимость коэффициента массопередачи от температуры воды

Рис. 6.4. Зависимость средней движущей силы десорбции от концентрации углекислоты в воде до декарбонизатора при концентрации CO₂ в декарбонизованной воде, мг/дм³:
1 - 3.0; 2 - 5.0; 3 - 10.0

Значение C_к^CO₂ обычно принимают в пределах 4 - 5 мг/дм³. Значения C_н^CO₂, мг/дм³ рассчитывают, исходя из технологической схемы ВПУ и ее предочистки:

1) для схем предочистки с коагуляцией без известкования:

где Щ_исх, Щ_коаг - щелочность соответственно исходной и коагулированной воды, мг-экв/дм³;

2) для схем предочистки с pH » 10.2 C_н рассчитывается с учетом связывания CO₂ исходной воды при известковании и остаточных бикарбонатной и карбонатной щелочностей (см. рис. 2.7):

где Щ_б^ик, Щ_к^ик - соответственно щелочность бикарбонатная и щелочность карбонатная известково-коагулированной воды.

Высота слоя h_н, м, насадки из колец Рашига определяется из уравнения:

где V_н - объем, м³, занимаемый кольцами Рашига:

При выборе вентилятора к декарбонизатору определяют:

1) расход воздуха на декарбонизацию воды, м³/ч:

2) аэродинамическое сопротивление декарбонизатора, Па

Пример 6.1. Онлайн расчет Рассчитать декарбонизатор по исходным данным табл. 4.4 и табл. 4.5:
Q_д = 163.4 м³/ч, C_н^CO₂ = 61.6 мг/дм³, C_к^CO₂ = 4.0 мг/дм³.

Решение:

1. Площадь поперечного сечения декарбонизатора (см. 6.7):

f_д = 163.4 / 60 = 2.72 м².

2. Диаметр декарбонизатора (см. 6.8):

 м.

3. Количество CO₂, удаляемого в декарбонизаторе (см. 6.6):

G_CO2 = 163.4 · (61.6 - 4.0) = 9.41 кг/ч.

4. Необходимая площадь поверхности насадки (см. 6.9) при температуре 30°C, значениях k_м = 0.45 м/ч (см. рис. 6.3) и DC_ср = 0.02 кг/м³ (см. рис. 6.4):

F_н = 9.41 / (0.45 · 0.02) = 1045.5 м².

5. Объем насадки (см. 6.13):

V_н = 1045.5 / 204 = 5.13 м³.

6. Высота насадки колец Рашига (см. 6.12):

h_н = 5.13 / 2.72 м.

7. Расход воздуха на декарбонизацию воды (см. 6.14):

Q_возд = 40 · 163.4 = 6536 м³/ч.

8. Аэродинамическое сопротивление декарбонизатора (см. 6.15):

Н_д = 300 · 1.88 + 400 = 964 Па (96.4 мм.вод.ст.).

Кроме декарбонизаторов с насадками и вентиляторами в химических цехах эксплуатируются декарбонизаторы струйного типа (ДКС), в которых растворенная углекислота удаляется за счет контакта капель воды, получаемых при распыливании ее в форсунках, с подсасываемым в эжектирующем устройстве воздухом. Рассмотрим конструкцию такого аппарата на примере промышленного декарбонизатора ДКС-630, производительностью 630 м³/ч, рассчитанным на снижение концентрации СО₂ от 250 до 5 мг/дм³. Декарбонизатор (см. рис. 6.5) состоит из корпуса 1, устройства с форсунками для распыления воды 2, бака для сбора 3 и отвода 4 декарбонизованной воды. Цилиндрический корпус ДКС содержит кроме наружной, также и внутреннюю обечайку 5, которая служит для отвода воздуха 6. На наружной обечайке крепится площадка обслуживания 7. В кольцевом зазоре между обечайками на радиальных перегородках закреплен кольцевой коллектор 8, разделенный проглушками на три секции с индивидуальным подводом к каждой секции обрабатываемой воды 9 под требуемым давлением 0.15 МПа. На нижней образующей коллектора равномерно установлены 60 штуцеров с форсунками, из которых струи воды попадают в эжектирующее устройство 10, где смешиваются с подсасываемым воздухом для десорбции СО₂. Для снижения уноса брызг в верхней части внутренней обечайки закреплена жалюзийная решетка 11. Секционирование кольцевого коллектора позволяет ступенчато (100, 65, 33%) изменять производительность струйного декарбонизатора. Чистка форсунок при загрязнении производится путем отключения секции и снятия форсунок со штуцеров.

 



Рис. 6.5. Схема декорбанизатора струйного типа