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操作条件对催化还原溶解氧效率的影响

Adnan Moradian1*法里德·德利贾尼2, Fateme Ekhtiary Koshky2以及穆罕默德·索拉比3.

1伊朗德黑兰尼罗研究所电力部

2电力部,东阿扎尔巴扬发电公司管理伊朗大不里士热电厂有限公司

3.伊朗德黑兰Amirkabir理工大学化学工程系

*通讯作者:
Adnan Moradian
电力部
尼罗研究所
德黑兰,伊朗。
电话:+ 982188079401 - 9
传真:+ 982188078296

收到:13/01/2013接受:18/05/2013

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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 [23.]。

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[67]。

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2O3.⇒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[89]。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:

方程

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%

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图1:概述催化脱除溶解氧工艺

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(1)(2)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。

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表1:在不同温度下的剩余氧

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表2:中等温度下剩余氧(停留时间:45秒)

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图2:温度对出口氧的影响

也可以看出(3)(4)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。

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表3:10°C和不同压力下的剩余氧(停留时间:45s)

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表4:20°C和不同压力下的剩余氧(停留时间:45s)

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图3:压力对出口氧气的影响

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。

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表5:系统在不同进氧值下的性能

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表6:增加水流量的效果

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。

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表7:其他参数对系统性能的影响(入口氧含量:4.5 ppm)

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。

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表8:系统在低进氧量和大水流量条件下的性能较好

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

全球科技峰会