纯水应用中五种脱气装置的比较

《纯水应用中五种脱气装置的比较》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纯水应用中五种脱气装置的比较（9页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、纯水应用中五种脱气装置的比较摘要：在纯水制造过程中，以前常常使用鼓风脱气和真空脱气装置，近年来，膜脱气工艺发展非常迅猛，在高纯水领域已经开始有了广泛应用，同时也有不少纯水工艺采用了树脂催化法除氧。本文分别对五种不同的脱气装置作了介绍和对比。关键词：脱气器；脱气塔；纯水；溶解氧；树脂中图分类号：TN305文献标识码：A1引言在当今信息化时代，微电子的产品周期每两年翻一番，对高纯水的要求也变得越来越高（见表1），从而促进了纯水处理技术的一次又一次的变革，水处理工艺越来越先进，脱气装置也不例外。袤LDRAMlt与媚规水水质郵丸值的代熹翔fblIM邛I6M2317JMIKDMLM.I41.12二】晚衬

2、吐4E；Nfl.ZIQO(.W：mL)KU.L4to50.03C10101也!：；血1）qIOC屹SO100.10.1Q.ITQC（卜慎讥）W1DQ30町30-爲10JSi(4艸:隘1050.10.1N3(4加；IQ.W01wU.DG50O.COI“00CI(h&CLl；gOSo.oosC0.DQ0.005直全属P-PV-eSO.LO.DJ0.005屯Djini0005DowaC10052c=HI*=().nOGV同理,其电融电垃为0*(0.05916/2)logHP由于上下商式中MAT在间_个水律系中*放诧用和祁.闫此imaf.反应的电龍資e=E昂=1也0.由此计算出的自由能变化G=-nF=

3、-2X96500X1.229=-237kJ式中F为法拉第常数96500Cn为参与反应的电子数,本式中等于2由于G0,而且很大，所以反应应能非常快地自动进行，但是在常温下反应却始终不可能完成，必须有火花等将之引燃,反应所产生的能量才能将反应继续下去。某种涂钯的树脂能起到催化剂作用,使氢气和氧气在常温下就能够化合生成水。据此原理，通过向溶解有氧气的水中通人适量氢气，在与催化剂的充分接触后，化合生成水，从而起到除氧的目的。3四种常见的脱气装置按照脱氧器工艺，我们可以分为大气式、真空式、膜分离式、棚旨催化方式；热力式五大类，大气式又可以分为鼓风式、抽风式、鼓泡式。在以往的工艺过程中，最常用的脱气方式是

4、鼓风式和真空式。31鼓风脱气由于二氧化碳在空气中含量只占003，我们可以由方程式(4)算出，常压下二氧化碳在水中的饱和含量在05ppm左右。二氧化碳在水中主要以C02、HCO-3、C02-3三种形态存在，而一般水中都具有一定的碱度，所以还存在许多由HC0-3、C02-3形式而存在的二氧化碳，三者在水中形成平衡:co3fH?o-kHCOtfirHLO,C()-+Hr因Jt,血他常总丈术中二氧化廡的沖抵包扰碳酸抿厠烦滋醱根的凤，幷可以由以下曲迓怙算，C=44HCO;Inig/l)方裡式畀C=44H1*0.263(Hz;1方程式式屮：7为COilSBtppm)Hz沟孫贱盐嚴度(mmall/SCOa1

5、J/)口h为水中游离二氧祀律的書【血I)当pH值小于4.3时，二氧化碳全部转化为分子状态存在，从而可以从水中逸出。同时我们鼓人新鲜的空气，使二氧化碳转入空气中，从而起到除二氧化碳的目的。由于该类脱气塔工作时的pH值要求小于4.3,所以一般它与复床联合使用，工艺位置一般处于阳床后面，因为阳床出口水的pH值正好能满足其pH要求，避免了加酸。在进水的最大碳酸盐硬度不超过7.5mgN1的系统中，为保证脱气塔的正常工作，首先在塔体内采用瓷环或空心球为填料，将水分散成水滴或水膜，填料高度根据需要为1.6-4.0米；同时将脱气塔淋洗密度控制在60m3/m2h左右，气水比值控制在20-30m3m3水，因为过高

6、的淋洗密度不容易使水分散，过低的气水比不能将二氧化碳等带出塔外。正确设计的脱气装置可以使脱气塔出口水二氧化碳浓度控制在5-10ppm。鼓风脱气虽然能除去水中的二氧化碳，但同时将水中的氧气、氮气含量提到了最高，它的脱气机理决定了它对其它气体无脱除功能，虽然在鼓风机人口都安装了0.3“m高效空气过滤器以净化空气，然而，空气中的颗粒等物质还将被带入水中，在某种程度上将增加对水的污染。3.2真空脱气从上述的两个定律不难看出，在理想状态下，即当溶液表面的气体分压等于零，并且水的表面积足够大，水膜厚度达到分子厚度并能与真空直接接触时，水中的气体将全要逸出，浓度降低到零。图2是一个典型真空脱气装置的工艺图，

7、图中采用了两级联合真空，脱气塔底部是一个与脱气塔连成一体的缓冲水箱。.11忸2典型的真空脱丸塔工艺箔真空脱气塔的一个重要附件是真空泵或射流装置，它们工作时所能达到的最低绝对压力取决于真空发生系统的水的饱和蒸汽压（见表5）*5各蛊庚下朮的帼和蔗汪压汩度弋1$IdIS2J02215nmHgi.h9a212.S17.519.823J28J3l.fi蕭汽IEPtfiD我11226170323352640377642395618比如在25C时，水的饱和蒸汽压为23.7mmHg，所以真空系统在该温度下所能达到的最低绝对压力为23.7mmHg,假如真空脱气塔的工作时所处理水的温度也为25C，则溶液表面水蒸气

8、分压为23.mmHg（3164Pa），其它气体（如空气）的分压总和仅仅是泄漏等原因进入塔体的微量空气，我们可以不难估算出氧气、氮气、二氧化碳的分压和水中的溶解量已经是很低很低。由此我们还可以看出，若将真空发生系统的密封的密封水温度控制得更低，可取得更高的真空度，以获得更高气体去除率。在通常意义上，所设计的真空脱气塔的淋洗密度为50m3/m2h,通过选择合适的填料高度，可以使脱气塔后的出水二氧化碳残余量低于3ppm，氧气残余量（溶解氧）低于50ppb。1992年中国华晶电子集团公司从加拿大引进的真空脱气塔，采用了两级真空联合脱气，设计淋洗密度最高达到78m3/m2h，填料总高度为7.3米，出口的

9、溶解氧设计值VlOOppb，实际运行时的淋洗密度峰值仅为50m3/m2h，平均淋洗密度为30m3/m2h，但最终出水的溶解氧长期VlOppb。3.3膜脱气膜脱气工艺首先是选择了一种微孔性聚丙烯憎水性膜，该膜表面对水没有亲和力，并有许多直径为的小孔，气体能透过该膜而水却不行。道尔顿分压定律和亨利定律表明如果溶液表面的气体分压越低，气体的溶解度就越低，膜脱气元件的制造商因此将该膜做成0.03mm的纤维管，并采用了管壳式设计，使一种介质（一般为气或真空）在管程中流动，而另一介质（一般为水）在壳程中流动，这样就让两种介质分开，憎水膜成了水、气的分界面。通过控制管程的气压或者用其它气体吹扫，降低溶液的溶

10、解气体分压，将水中的溶解气体向管程渗透而除去。为了增加水和气体的接触面积，膜组件没有采用传统的水分散工艺，而是利用了数千根直径很细的纤维管，也就是说，纤维管的表面积在事实上已等于了气相和液相的界面表面积，因此膜组件的膜面积成了其中一个重要技术参数。为了充分发挥膜表面的作用，膜脱气元件在制造过程中，采用了中心管布水技术，使膜纤维管围绕分布在中心管周围，同时还采用膜体中间出水或者在膜体中间采用树脂挡板的方式，尽量让水流在壳程中保持湍流，使水呈辐射状流动（如图3所示），使水与膜表面充分接触，进一步提高除气效率。IB?關脫修出Kifit曲配示朮圏术沅廿m；Zrr;r一沖卍I/阿修6:畀4如代律Sm丁支

11、存轲中汕欝堆at膜脱气工艺可以采用吹扫、真空、复合式三种模式，吹扫模式是指在膜元件的气侧只使用气体吹扫，该方法使用比较简单，主要用于以空气为吹扫介质除二氧化碳。真空模式是指膜元件的气侧只使用真空，真空通过真空泵或者射流装置获得，但由于真空系统中除水蒸气外，还存在一定数量的被除气体，所以还不能将该气体的浓度降到最低；复合式是在膜的产水侧用通人气体吹扫，在进水侧抽真空，这样由于液面有大量的吹扫气体，由液面逸出的被除气体浓度被大量稀释，气体分压急剧下降，因而可以获得更高的脱气效果，但吹扫气体一般为氮气或氢气等，而且其纯度相对要求比较高，获得比较困难，使用条件受到了一定限制。当采用吹扫模式或者复合模式

12、时，当其它气体被除掉的同时，产品水中吹扫气体的浓度就达了饱和状态。膜脱气元件用于除氧时，每支膜的脱氧率可以在80-95之间，这直接与吹扫气体纯净度、真空度和处理水的流量有关。由于膜组件的运行压差很小，一般小于0.05Mpa,所以为了达到更低的溶解氧浓度，膜组件可以串联运行，实际工程表明，采用复合模式，用高纯氮气作为吹扫介质，三级串联的膜组件，可以将溶解氧降低到5.4ppb，四级串联的膜组件，可以将溶解氧降低到4ppb以下。图4为典型的四级串联的复合式膜脱气工艺示意图。图4典教的膜脱气工艺图膜组件在运行时，处理水中必须没有余氯、臭氧和其它氧化剂存在，有时为了处理自来水，组件也允许有lppm的余氯

13、存在，但只能用于采用真空模式或复合模式的系统中，而且不管在停止还是运行状态，真空系统必须不间断运行。另外，在运行过程中，吹扫气体的温度不要超过25C，气体吹扫压力不得超过0.0069Mpa,并需经过0.2Mm过滤器的过滤；在膜组件用于除二氧化碳肘，若吹扫介质使用压缩空气，则必须是无油的压缩空气。在复合模式时推荐的真空度为710mmHg,即绝对压力为50mmHg。膜组件在运行过程中，有可能会受到生物粘泥污染，当污染发生时，可以采用2%w/w的氢氧化钠或氢氧化钾在40-50C下循环20-30分钟，冲洗干净后用5%w/w柠檬酸或2%的磷酸循环20-30分钟，再用纯水漂洗到pH呈中性，当发生矿物质沉积

14、时，仅用5%w/w柠檬酸或2%的磷酸循环20-30分钟，再用纯水漂洗到pH呈中性。清洗时，所有清洗液都必须经过10pm的过滤器过滤。3.4催化脱气金属元素钯对氢气和氧气化合的催化作用已被应用于很多领域，而拜耳公司将金属元素钯掺杂在苯乙烯和二乙烯基骨架的阴离子交换树脂上，做成粒径为催化树脂，并应用到水处理工业。在外型上催化树脂有透明的凝胶型和不透明的大孔型颗粒，分别应用于不同的温度范围。掺杂工艺是将钯元素以金属的形式充分地分散在树脂外围，所掺杂的钯含量达每升树脂1克，这样可以最大程度地让氢气和氧气迅速地进人到活性区域，充分保证氢气、氧气和钯的接触机会。催化反应的过程首先是氢气被吸附到树脂的钯表面

15、，然后再吸附氧气，在钯的催化下完成整个反应（见图5），因此催化树脂的活性与树脂表面钯元素吸附的氢气量是密切相关的，当吸附的氢气量达到饱和后，树脂的活性随即能最大程度地发挥。所以树脂床在投入运行的前30分钟，需要用过量50%的氢气冲洗床体，加速氢气在催化树脂表面的饱和，有利于加快出水的达标速度。而在系统关机时，需要将5-10倍床体积的含氧水冲洗树脂，将树脂表面的氢气带走。在正常操作期间，也需要保证氢气的略微过量（约过量40%），否则一旦氢气消耗完，容易引起树脂部分活性丢失。为保证氢气充分地分散在水牛，在25C时系统压力至少为0.17Mpa，在5C时系统压力必须大于0.22Mpa。催化树脂具备很高

16、的催化能力，以拜耳公司的K7333和K6333型催化树脂为例，每升棚旨最多能吸附6克氢气，而1克氢气能还原8克氧气，因此1升树脂可以还原6吨氧气浓度为8ppm（常温下氧气的饱和浓度）的水。所以在以催化树脂填充的床体中，流速可达80m/h的同时，出口水氧气浓度可以降低到20ppb以下。图6为催化树脂在不同流速下，催化树脂床中各部位的氧气浓度，可以看出，当人口水温度为20C,氧气浓度为8000ppb时，出口水溶解氧浓度为3-30ppb。H16俺化樨脂脫机能力曲雅田胡忸n-o-帖nv.-ftI际职側的催化脱氧器工艺非常简单，类似一个普通的过滤器，图7是一个典型的工艺图，图中氢气加在水泵的人口，依靠水

17、泵叶轮的旋转或者通过在线静态混合器将氢气和水充分混合，让氢气溶解或以极小的气泡分布在水流中，促使气体与树脂的充分接触和吸附。常规树脂层高度均在0.9m以上。益酣鵲-rls在1995年原中国华晶电子集团公司引进的一套高纯水装置，设计时采用了78mh的流速，树脂层高19m，氢气按每升水2毫克的比例投加，在实际运行中流速仅为35m/h,结果获得了溶解氧小于lppb的出水水质，至今运行状况一直很稳定。当新树脂投人使用时，由于每升树脂至少会泄漏1-2毫克的钯，所以第1小时的产品水中会检测出一些钯，在1小时后的产品水中则不再有钯出现。在树脂的使用过程中，不能与强氧化剂如硝酸、过氧化氢等接触，否则容易引起猛

18、烈爆炸。催化树脂被汞、镉和硫化物污染后，其活性将不可恢复；树脂表面被腐殖酸或细菌污染后，也会降低其活性。确定是否受到腐殖酸的污染的方法是：采集少量树脂组成的离子交换柱，通人含有氧气（饱和）的水，以15ppm联氨代替氢气，以80BV/h的流速流经5分钟，检测氧气残余量，若小于20ppb，表明没有受到明显的污染，如果氧气残余量下降比较慢或者不下降，表明已经受到了污染。35热力脱气热力脱气是以加热的方式除去给水中的溶解气体的一种方法，由于其主要应用于锅炉和电力系统，主要作用是用来除氧，所以也称为热力除氧，它一方面根据气体在水中的溶解量随着温度的升高而降低（见表6），同时，水蒸汽的分压随着温度的升高也

19、升高，当水温到达100E时，空气分压降低到零，根据亨利定律，水中的溶解气体量也应降低到零。据此原理，在除氧器首先将水分散为水滴或水膜，然后通人蒸汽，把要除氧的水加热到一定温度，并依靠蒸汽变相降低水表面的溶解气体分压，使水中的气体解析出来，并随余气排出除氧器，以达到除氧的目的。和空F中三忡在齐埠鼻風h的第*sqm佃:0弋OOOUI2&001401aooitujo.ooiui0WWWBOW得ODOTSHtQrwmn二O.3M5OjUiSD.I附CLI357O.MTfi：1,从上面可以看出，热力脱气的机理非常类似于真空脱气，所不同的是真空脱气采用了真空的办法降低水的表面气压，热力除氧器是采用了给水加

20、温的办法降低水的表面空气的分压，使气体从水中逸出。热力除氧器根据水的分散方式可以分为淋水盘式热力除氧器、喷雾填料式热力除氧器、旋膜填料式热力除氧器等，如图8、9、10所示，他们所不同的只是水膜或水珠的分散方式的不同，其结构却均为保证蒸汽与水的充分接触。其中喷雾填料式除氧器采用了喷雾和填料两次分散水系的方法进行除氧，因此相对可以获得更高的除氧效率，但最终的除氧效果取决于除氧器的结构和运行状况。憎8卅水玄虫廉配彷1廉飞味；2旷衣対；$木怕炭；4-乐山良;L-tMAfi；fffxth4-tt*tYA*L；出一丘底If；让一碍审汽3進亍木MiHlS.-JPMt吒堵中Ei订离！fi过陆h&Ft.S；7.

21、M-(41.KS-JinmJtltl9咄券填料式担力賦氧曙1-亠：总愀：t中说痒：？下売体：4捕氐形1打:$撰安全吐潔：&一时池水件；7-t-.Sf(ft：EF迟洱卅：予一高崔1HI弟器盘出诉【I忖;14II-股瞬：口址订音：仔一聊康SI；LJ上洋板;1$塔料下去隹；1$進同；】丁-打瑕氐；:HiHzKff：再一中匕管!虹創一业股盧斛;1-iiirtft4关于应用范围的一些探讨在传统意义上，鼓风脱气塔主要用于复床系统中，其基本形式是二床三塔，也有组成三床四塔或四床五塔的形式，其主要作用是降低水中的暂时硬度，增加阴床的使用周期；随着反渗透工艺的迅猛发展，复床系统渐渐淡出市场，在一些原水是高碱度水

22、的场合，鼓风脱气也用作反渗透系统的预处理，降低水中碳酸根和重碳酸根离子浓度，防止在膜表面结垢。真空脱气的最大优点就是能脱除水中所有的挥发性气体，它不仅能降低水中的卤代烃、氧气、氮气在内的众多溶解气体，而且由于一些小分子有机物、如甲烷等的去除，有效地降低了水中的TOC值，但它的缺点非常明显：a,体积比较庞大，高度超过10T3m，厂房的布置变得很困难，有的甚至布置在室外，为此许多设计者基本上不考虑系统的富余量而成为整个系统的“瓶颈”；b,配管要求高，在脱气塔底部的水箱液面上方的真空度为730mmHg(0.097Mpa),而水箱每米水柱所能产生的压力只有0.0098Mpa，水泵吸人口的压力为负值，管

23、道的漏点也因此不渗水，不容易被发现，而且会吸人空气，使溶液中气体的溶解量加大；c,由于受塔体高度的影响，水箱一般不能高程布置，所以水泵的机械密封有时不能完全密封会使脱气前功尽弃；d,塔体的下方都有一个连体的水箱，由于塔体的高度很高，水箱的停留时间一般会很短(有的仅仅为2.5分钟)，因此为了保证好水箱液位或控制好进水量，自控也趋向了复杂化。膜脱气工艺的使用范围比较广，有时可以代替鼓风脱气工艺除去二氧化碳，作为反渗透的前处理，有时却直接放在精处理系统中，而有时它放在二级反渗透之前用3个膜组件串联进行预脱气，当采用预脱气后，而精处理系统中只需要串联1-2个膜组件，这样将脱氧工艺分两段进行，避免在同一

24、个工艺段中串联过多的膜组件，起到降低工艺段压力降的作用。由于膜组件可以采用组合的形式任意扩充进行深度处理，所以近几年来有了极其广泛的应用，但考虑到膜组件的价格相对比较昂贵、渗透膜的微孔容易受到污染等因素，我们认为它的工艺位置在反渗透之后比较合适，并要控制微生物的生长。催化脱氧器只能除掉氧气，对氮气等其它气体无效，相反它使水中的溶解的氢气含量达到最大。另外，系统中氢气的投加量至关重要，如果过少，显然反应不能完全，树脂活性不能充分发挥，出口水溶解氧含量不能达标，如果投加过多，容易使水中含有很多分散的气泡，使纯水呈现乳状，由于输水管道一般有的压力，流速也很快，使该乳状纯水会一直延伸到纯水使用点，直接

25、影响使用点的圆片清洗效果。为获得极低浓度的溶解氧纯水，传统的脱氧方法是真空脱气与催化脱气联合使用。热力除氧器可以将水中的含氧量降低到7ppb以下，稳定性也很好，但是水流要求相对非常稳定，水质容易受到蒸汽等污染，产品水水温一般为100C左右，由于锅炉补给水需要加温到100C左右，因此也被广泛应用于锅炉的补给水中，很少见于电子工业中的除氧。5小结在实际工程中，在选择脱气装置时，还必须根据各自的要求与经济许可能力，选择相应的工艺。有些工程中还采用二级反渗透前加氢氧化钠将pH调整到8.6-8.9,以碳酸根离子和重碳酸根离子的形式去除二氧化碳，避免了鼓风脱气和由此带来的空气污染，但系统一旦对溶解氧有所要求，就必须相应选择其它脱气方式。