操作条件对催化还原溶解氧效率的影响

摘要

本文采用催化还原法去除水中溶解氧，考察了操作条件对该方法效率的影响。在不同的压力、温度和流速下进行了各种实验，以获得催化还原的最佳条件。结果表明，该工艺的优点是在中温低压条件下进行。结果表明，在低氧入口条件下增加水流流速，可提高工艺效率

关键字

溶解氧，还原催化，水流速率

介绍

许多设备，特别是动力反应堆的蒸汽发生器和汽轮发电机的水冷定子绕组，都因溶解氧的存在而受到各种形式的腐蚀[1]。从水中去除溶解氧(DO)是制药、食品、电力、半导体等许多行业的必要过程。可接受的DO水平视乎水的预期用途而定;例如，在电力工业中，为了防止锅炉和管道的腐蚀，必须去除DO，并且必须将DO含量控制在5ppm左右。相比之下，半导体工业中用于清洗硅片的超纯水，在DO水平方面可能是要求最高的，一些应用要求极低的DO水平，约为0.1 ppb [2，3.]。

溶解氧可以使用多种方法从水中去除，这些方法大致分为化学、物理和混合系统，这些方法结合使用。物理方法包括热脱气、真空脱气或氮气泡脱气，传统上是在填料塔中进行的。这些方法的缺点包括操作成本高和单位体积表面积小。使用这些物理方法很难将DO浓度从mg/L降低到μg/L水平。物理方法存在体积大、成本高、操作不灵活等固有缺陷[4]。中空纤维膜接触器具有高效等优点，近年来已被用于去除溶解氧，但应用雷竞技网页版尚不普遍[5]。使用亚硫酸钠肼、碳酰肼、β-酮葡萄糖酸和没食子酸或催化还原等化学方法具有显著的缺点，因为进一步的、通常是有毒的杂质会引入系统[6，7]。

亚硫酸钠是工业中另一种除氧剂，用于低压系统。在高压下使用亚硫酸钠会导致两个问题。首先，该药剂的用量会增加循环锅炉系统的固相量，因此将该参数控制在合适的范围内是非常重要的。第二，在高压锅炉中，亚硫酸钠分解形成二氧化硫或硫化氢，这两种都是腐蚀性气体，蒸汽离开锅炉，导致低pH值蒸汽和冷凝水，并导致整个系统的腐蚀。

肼(N₂H₄)是一种强还原剂，可与溶解氧反应生成氮和水，反应过程如下:

N₂H₄+ O₂⇒N₂+ 2 h₂O

在高温高压下，氨也会形成，这增加了给水pH值，降低了酸性腐蚀的风险。联氨还与锅炉管上的软赤铁矿层反应，形成硬磁铁矿层，从而保护锅炉管免受进一步腐蚀。这是化学反应的结果:

N₂H₄+ 6菲₂O_3.⇒4铁_3.O₄+ N₂+ 2 h₂O

因此，为了减少或去除氨，应该减少或停止注射肼。近年来，在催化剂存在下使用氢气成为一种有吸引力的方法;溶解氧与氢催化重组生成水是一种很有吸引力的方法，因为它不会产生副产物[8，9]。此外，催化法可将氧含量降低至十亿分之一以下[10]。本文对还原催化法去除水中溶解氧进行了研究。研究了温度、压力、水流量等操作条件对催化还原溶解氧效率的影响。

材料与方法

在催化还原溶解氧的过程中，氢和氧在催化剂的存在下反应生成水:

反应的产物是对系统没有不良影响的水。建立了催化还原溶解氧的实验装置，研究了催化还原溶解氧的有效参数。图(1)显示此过程的概述。水从水箱抽到氢/水混合器。混合器是一种气液并行上流填料床。水与氧和氢饱和，然后进入催化树脂容器，在那里氢和氧反应存在的催化剂。使用1.5升K6333树脂催化剂催化反应(朗盛公司[11])。所有结果都是在以下条件下得到的:

—工作压力:2 ~ 3bar

-用于测定产品中的剩余氧，使用ASTM D888-81

-氢气纯度为99.99%

结果与讨论

温度和压力的影响

为了达到最佳的操作条件，在不同的压力和温度下进行了各种实验。如表(1)和(2)和图(2)该系统的合适温度范围为10-50°C。当温度低于10℃时，氧气的效率和吸收率会降低。这是由于在低温下，氧和氢之间的反应是不可能的，催化剂不能加速这一反应。另一方面，温度进一步升高超过50°C可能导致催化剂损坏。

也可以看出表(3)和(4)和图(3)，该工艺的合适压力范围在1.7-3atm之间。如前所述，氢在水中的溶液是基于亨利定律的压强的函数。氢溶液的亨利常数为(7.07 ×10⁴自动取款机。mo1 H₂O/mo1H2(25°C))，因此这种气体在水中的溶解发生缓慢，这表明维持液相过程所需的最小压力。这些结果还表明，在高温时，压力应高于低温时的压力。无论如何，随着压力的增加，氢气溶液的增加可以提高系统效率。

影响水流流速

通过其他实验说明了水流流速的影响。首先，在其他参数保持不变的情况下，降低进氧水平。结果显示在表(5)表示在这种情况下，当水流速率为120 lit/hr时，剩余氧气不高于限定水平。在其他实验中，流速为240lit /hr，其他参数不变。在这种情况下可以看出表(6)，在低氧入口时，通过增加水流流速来降低溶解氧是可能的。在这种情况下，这个过程会更有效率。

并通过对实验结果提供其他条件，研究了系统在较高进氧水平下的性能表(6)。例如，当入口氧气值为4.5 ppm时，剩余氧气水平高于限制水平(22 ppb)。在这种情况下，进口氧气水平和水的流速保持不变，其他条件已被有效地改变。如表(7)时，随着压力和温度的增加，系统的性能有所提高，剩余氧浓度达到20 ppb以下，但这种变化是渐进而缓慢的。这可以解释为，压力的增加只对一定值有效，之后的进一步增加只会导致氢气进一步溶解，对系统性能没有影响。另一方面，虽然温度的升高对氢气和氧气的反应有效，但温度升高超过50对水中氢气溶液的作用相反，恒压温度的任何升高都会导致氢气溶液的减少。

系统在低进氧量和大水流量条件下的性能较好

为了考察系统在低氧进口、高流量条件下的性能，在进口氧含量为1ppm、水流量为640 lit/hr的条件下进行了另一项实验。结果列于表(8)显示溶解氧随时间的减少。然而，由于水流速的增加，氢塔和催化塔的停留时间都缩短了。因此，在这种条件下，氢的完全溶解和与氧反应的时间是不够的。例如，75分钟后，剩余的氧气为22 ppb，而还原的足够时间在此之前已经获得了近30分钟。

结论

操作条件是影响催化还原溶解氧效率的重要参数之一。这种工艺的优点是在中等温度和低压下操作。氢气压力有助于其在系统中的溶解，并防止混合柱后两相流的形成。如本文所示，在低入口氧水平下，通过增加水流速率来减少溶解氧是可能的。这种条件可以提高工艺效率。

确认

作者感谢Niroo研究所和伊朗大不里士热电厂提供的所有支持。

参考文献

1. FB Martinola, P Thomas。Eng Soc。1980: 77-83。
2. 蔡美儿，MSL。李凯，张宏，吴维杰，张伟强。超纯水水质及工业生产用途。Ies j . 1993; 3:57-64。
3. 李国强，蔡宜仁，吴维杰，张伟强。超纯水生产中使用膜反应器去除溶解氧。化学工程，1995;50:3547 - 3556。
4. 谭x, G Capar, Li K。中空纤维膜模块中溶解氧的去除分析:水蒸气的影响。中国生物医学工程学报(英文版)，2005;
5. 李凯，谭X。膜-紫外反应器去除水中溶解氧的研究进展。化学工程学报2001;56:5073-5083。
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9. 谭xy，李凯。新型膜反应器去除水中溶解氧的研究。化学工程学报，2000;
10. S Suppiah, KJ Kutchcoskie, PV Balakrishnan, KT Chuang。使用防湿催化剂与氢结合去除溶解氧。化学工程学报。2009;26(2):344 - 344。
11. 朗盛动力化学:www.lanxess.con