Переход примесей из воды в пар

Известны два пути перехода примесей из воды в пар: с капельным уносом кипящей во­ды и вследствие растворимости в паре.

Концентрация примесей в насыщенном паре характеризуется суммарным коэффици­ентом выноса

где — влажность пара, , характеризует содержание примесей, поступающих в насы­щенный пар вместе с капельной влагой;— коэффициент распределения, , характеризует содержание примесей в паре вследствие его растворяющей способности.

Роль составляющих коэффициента выноса зависит от ряда факторов и главным образом от давления. Так, при низком давлении рас­творяющая способность пара для большинст­ва нелетучих примесей, находящихся в воде, ничтожно мала , и потому

С повышением давления растворяющая спо­собность пара возрастает, увеличивается вклад коэффициента распределения, и при высоком давлении может оказаться, что,тогда

Механизм и закономерности уноса влаги паром. В зависимости от схемы подвода пара в барабан механизм образования капель в па­ровом объеме имеет различную природу. При подводе водяных струй под уровень воды в ба­рабане отдельные пузыри пара, всплывая к поверхности раздела фаз (рис. 14.10,а, б), образуют двухфазный динамический слой. При этом пузырек пара подвержен воздействию двух сил: внутреннему давлению, вызываю­щему разрыв водяной пленки, окружающей пузырек пара, и силе поверхностного натяже­ния этой пленки, тормозящей ее разрыв. В чистой воде с образовавшегося купола плен­ки жидкость стекает, и пленка утоняется (рис. 14.10,в). Образуется отверстие в верхней части купола, которое под действием сил по­верхностного натяжения расширяется, пленка втягивается в основную массу воды, пузырек пара выходит в паровой объем, а с образую­щейся при этом кольцевой волны отрываются капельки воды, выбрасываемые в паровой объем (рис. 14.10,г). В образовавшуюся лунку устремляется вода, которая при встрече дает

Рис. 14.10. Схема образования капельной влаги в па­ровом объеме барабана при вводе парообразующих труб в водяной объем.

а — всплывающий пузырек пара; б — начальный период выхода пузырьков на зеркало испарения; в — перед разрывом водяной оболочки; г и д — разрушение водяной оболочки с образова­нием капелек влаги.

всплески в виде столбика, от которого также отделяются капельки воды (рис. 14. 10,5). При барботаже пара через слой маломинера­лизованной воды пленки, окутывающие пу­зырьки пара перед их выходом в паровой объем, имеют резко различную толщину, и потому они образуют капельки влаги также различных размеров.

При подаче пара выше зеркала испарения капельки в паровом объеме образуются в ре­зультате дробления влаги, поступающей с па­ром в барабан из парообразующих труб (рис. 14.11). Степень дробления зависит от кинетической энергии пароводяных струй. При большой нагрузке, а следовательно, большой скорости входа пароводяных струй в барабан большая кинетическая энергия вызывает силь­ное дробление влаги и более интенсивный капельный унос. В паровом объеме устанав­ливается динамическое равновесие между по­ступающими и оседающими каплями. Наи­большая их концентрация оказывается у по­верхности раздела фаз, она падает по мере

удаления от этой поверхности. Наиболее крупные капли выбрасываются на высоту до 600—700 мм.

При малой подъемной скорости пара с ним увлекаются только капли очень малых раз­меров. С увеличением расхода пара в унос включаются капельки все больших размеров. Поэтому чем выше нагрузка, тем больше влажность выдаваемого пара (см. рис. 14.12).

Влажность пара определяется нагруз­кой :

Значения и зависят от конструкции парового объема аппарата, давления, кон­центрации и ионного состава примесей воды. Показатель степенирезко изменяется с на­грузкой. Зависимость влажности пара от на­грузки в логарифмических координатах ап­проксимируется ломаными прямыми участка­ми, которые выражаются степенными функ­циями (14.5). Таких участков три.Для нагрузок, характеризующихся очень ма­лой влажностью пара,, для нагрузок, при которыхи для больших нагрузок, когда,Для ТЭС характерна работа барабанных котлов в начале второго участка с Скорость пара пропорциональна его расходу D. Средний расход пара, отнесен­ный к 1 м² зеркала испарения, называется удельной нагрузкой зеркала испарения

Средняя скорость пара, отнесенная к 1 м³ парового объема, называется удельной на­грузкой парового объема

Высота парового объема оказывает сущест­венное влияние на влажность выдаваемого пара. Чем меньше высота парового объема, тем при больше крупных капель достигает области высоких скоростей пара у пароотводящих труб, и потому влажность пара выше. С увеличением высоты парового объема уменьшается число крупных капель, попадающих в пароотводящие трубы и уноси­мых паром, и потому влажность пара умень­шается (рис. 14.13). Начиная с некоторого значения высоты (0,8 м), которую не до­стигают даже самые дальнобойные крупные капли, обладающие наибольшей кинетической энергией, дальнейшее увеличение высоты па­рового объема уже практически не приводит к снижению влажности пара. В этих условиях в уносе содержатся только капли малых раз­меров, для которых подъемная скорость пара при больше скорости витания капли Эти капли будут

Рис. 14.13. Зависимость Рис. 14.14. Зависимость
влажности пара от высо- влажности пара от соле-
ты парового объема.содержания воды.

транспортироваться потоком пара независимо от высоты парового объема. Под скоростью витания по­нимают относительную скорость капли, при которой возникающая при ее обтекании паром сила сопротивления уравновешивает вес кап­ли. Для этих условий можно записать:

откуда

где—диаметр капли; —коэффициент сопротивления.

С повышением давления увеличивается плотность пара, при этом возрастает сопро­тивление паровой среды подъему капель. С другой стороны, уменьшение разности плот­ностей воды и пара усиливает транспортиру­ющую способность пара. Последняя усили­вается еще и потому, что с ростом давления меньше становится поверхностное натяжение, благодаря чему размер выносимых в паровой объем капель жидкости также уменьшается. В целом влияние транспортирующей способно­сти пара с ростом давления преобладает над сопротивлением, оказываемым движению ка­пель более плотным паром, и потому рост давления приводит к более высокой влажно­сти.

Выше рассматривались закономерности капельного уноса для чистой или слабомине­рализованной воды. Эти закономерности имеют место в сравнительно широком диапа­зоне изменения концентраций. В этом диапа­зоне при постоянстве других условий влаж­ность пара постоянна. Начиная с некоторой концентрации, характерной для данного рас­творенного в воде вещества, размеры пузырь­ков пара в воде уменьшаются, и, следователь­но, снижается скорость их всплытия, увели­чивается Итогом такого процесса яв­ляются набухание уровня, выброс в паровой объем большого количества капелек воды вы­сокой концентрации и резкое ухудшение качества пара (рис. 14.14). Концентрация ве­ществ в воде, при которой наступает резкое набухание уровня и увеличение уноса влаги, называется критической.

Физико-химические основы распределения примесей между водой и равновесным с ней насыщенным паром. Двухфазная однокомпонентная система в зависимости от количест­венного состава фаз может представлять со­бой либо кипящую воду, содержащую пузырь­ки пара, либо влажный пар, содержащий ка­пельки влаги, либо, наконец, кипящую воду, соприкасающуюся с насыщенным водяным паром. Независимо от того, какова структура двухфазной системы, вода и пар представляют собой два растворителя, имеющие одну и ту же химическую природу, но различные плотности и диэлектрические свойства (см. § 9-5), определяющие их способность раство­рять неорганические соединения.

Если двухфазная система находится в тер­модинамическом равновесии, содержащиеся в ней нелетучие примеси распределяются меж­ду фазами в соответствии с законом распре­деления растворенных веществ между двумя несмешивающимися растворителями. Количе­ственно это равновесие характеризуется ко­эффициентом распределения, который вы­ражают через активности растворенного ве­щества в пареи воде,:

Для разбавленных растворов (что харак­терно для условий образования пара на ТЭС и АЭС) активности можно заменить соответ­ствующими концентрациями растворенного ве­щества, тогда

Коэффициент распределения зависит от формы, в которой вещество находится в вод­ном растворе. Наибольшей способностью к переходу в пар обладают вещества, нахо­дящиеся в воде в молекулярной форме. Ве­щества, содержащиеся в воде в ионной форме, растворяются в паре существенно меньше. Закон распределения строго справедлив для вещества, находящегося в обоих растворите­лях (паре и воде) в одной форме — молеку­лярной или ионной. Коэффициенты распреде­ления и, отвечающие этому условию, являются термодинамически истинными и записываются так:

При постоянной температуре истинный ко­эффициент распределения для каждого ве­щества является величиной постоянной, не зависящей от начальной концентрации вещест­ва в одной из фаз. Определение истинных коэффициентов распределения представляет значительные трудности из-за практической невозможности раздельного определения кон­центраций веществ в молекулярной и ионной формах. Поэтому коэффициент, распределения обычно определяют через общие концентрации вещества без учета форм их существования в растворителях, т. е. определяют так назы­ваемый видимый коэффициент распределения. Связь видимого молекулярного коэффи­циента распределения и истинного выражается в следующем виде:

Аналогично для ионной формы

где— доля молекулярной формы в общем содержании соединения в растворе (зависит оти температуры); — доля ионной формы.

Суммарный видимый коэффициент распре­деления равен сумме молекулярного и ион­ного видимых коэффициентов распределения.

Переход веществ из воды в пар в соответ­ствии с распределением между двумя несме­шивающимися растворителями протекает в адиабатных условиях при постоянной темпе­ратуре насыщения и соответствующем давле­нии (плотности). Вместе с тем из рис. 9.8 следует, что на линиях плотностей воды и пара для любой температуры (давления) нет реальной области постепенного перехода ве­ществ из воды в пар. Этот переход характе­ризуется не постепенным плавным переходом веществ из воды в равновесный с ней насы­щенный пар, а скачкообразным переходом в соответствии с законом распределения. По мере приближения к критическому давлению, когда , этот скачок уменьшается, и только при наблюдается плавный переход растворенных в воде веществ в рав­новесный с ней насыщенный пар.

При низких концентрациях водного раство­ра зависимость коэффициента распределения между водой и находящимся с ней в контакте сухим насыщенным паром от параметров процесса описывается предложенным академиком М. А. Стыриковичем уравнением

Уравнение справедливо для усло­вий, когда растворенное вещество находится в воде и равновесном с ней паре в одинако­вой форме (молекулярной или ионной).

—координационное число, ко­торое отражает физико-химические свойства

Рис. 14.15. Зависимость коэффициента распределения веществ от отношенияводного теплоносителя.

растворенного вещества и количественно вы­ражает степень его гидратации. Величина п сохраняет постоянное значение в широком диапазоне параметров. Чем больше степень, гидратации, тем больший вклад ионной фор­мы в общем содержании вещества в растворе. Такие вещества лучше удерживаются поляр­ными молекулами воды, что затрудняет их переход в паровую фазу.

В логарифмических координатах зависи­мости коэффициентов распределения от отно­шения плотностей воды и пара по формуле изображаются лучевой диаграммой (рис. 14.15). Начало координат лучей всех соединений в точке, соответствующей крити­ческому давлению (для воды) и коэффициенту распределения

Все соединения, находящиеся в воде, по их растворимости в паре условно можно разделить на три группы: в первую группу вхо­дят вещества, для которых; во вторую —; в третью — вещества, для которых
. Наибольшей растворимостью в паре обладают соединения первой группы. Это наи­более слабые электролиты, большей частью продукты коррозии конструкционных материалови др., которые, однако, имеют
малую растворимость в воде, и поэтому со­держание их в паре тоже невелико. Особое значение имеет кремниевая кислота вещество второй группы — слабый электролит. Она содержится в заметном количестве в воде и обладает высокой растворимостью в паре. Наименьшей растворимостью в паре обладают вещества третьей группы — это главным об­разом солигидроокисьнаходящиеся в воде в основном в ионной фор­ме и наиболее сильно реагирующие на изме­нение плотности растворителей (воды и пара).

Видимый коэффициент распределения сла­бых электролитов зависит не только от тем­пературы (давления) процесса, но и отводного раствора, характеризующего степень отклонения формы соединения от преимуще­ственно молекулярной или преимущественно ионной. Форма же существования сильных электролитов — солей сильных оснований и кислот в водных растворах, а следовательно, и видимый коэффициент распределения изме­няются под влиянием их концентрации.

В случае присутствия в воде как раство­ренных, так и нерастворенных —взвешенных частиц, которые могут поступать в пар с ка­пельной влагой, общее загрязнение пара

откуда суммарный коэффициент выноса , характеризующий отношение суммарных кон­центраций примеси в воде и паре:

Из следует, что качество пара за­висит от влажности и коэффициента рас­пределения . Уменьшение влажности па­ра достигается сепарацией влаги. Однако даже полное удаление влаги не осво­бождает пар от примесей. Коэффициент рас­пределения есть физико-химическая константа, и если в воде содержатся примеси, то в со­ответствии с условиями процесса в паре будет находиться эквивалентное количество этих примесей. Для освобождения пара от приме­сей, перешедших из воды вследствие распре­деления, пар промывают более чистой водой, чем та, из которой он образовался.

Дата добавления: 2014-01-07