دیاریتورها در صنایع

اكسیژن اصلی ترین عامل ایجاد خورندگی در مخازن لوله ها، پمپها و دیگ ها ميباشد. اگر دي اكسید كربن نیز همراه آب وجود داشته باشد، باعث ميشود كه  PHمحیط پایین بیاید و آب خاصیت اسیدی پیدا كند. در این هنگام نرخ خورندگي دو چندان ميشود. در این حالت كه اصطلاحا به آن كرم خوردگی ميگویند كه در آن فلز زیان كلی ندیده ولی سوراخهای عمیقی در سطح آن در مدت كوتاهی ایجاد ميشود. خارج كردن اكسیژن نامحلول به دو صورت فیزیكی و شیمیایی امكان پذیر است ولي قالباً از روشهاي تركیبی فیزیكی و شیمیایی نیز استفاده ميشود. شرط لازم و اساسی برای كاهش خورندگي این است كه سطح PH آب تغذیه را حداكثر در رنج 8.5 الی 9 نگه داریم (هنگامی كه دی اكسید كربن در سیستم وجود ندارد) و نیز تمام اثرات اكسیژن داخل سیستم را هم از بین ببریم. سیستم برگشت كندانس هم اثرات قابل توجهی روي آب تغذیه دیگ بخار از خود بر جا ميگذارد. كندانس برگشتی از حرارت بالایی برخوردار است و همچنین از لحاظ شیمیایی سختيگیری شده است، به همین لحاظ هر چه كندانس برگشتی بیشتر به سیستم وارد شود، به آب تغذیه كمتری نیاز داریم. آبی كه در معرض اكسیژن قرار داشته باشد و به حالت اشباع برسد، اكسیژن موجود در آن خارج شده و جای خود را به حرارت ميدهد، به عبارتي آب دمای بالاتر محتوی میزان اكسیژن كمتری است. اولین قدم برای تصفیه آب حرارت دادن آب ميباشد تا اكسیژن موجود در آن خارج شود به عنوان مثال عملكرد یك مخزن آب تغذیه دیگ بخار در درجه 85 ° Cتا 90 ° C ميباشد.این امر موجب خروج اكسیژن شده و حداكثر سطح آن در مخازن در حدود ( 2mg/lit )ppm ميرسد. عملكرد با دمای بالاتر از این حد در فشار اتمسفر مشكل زاست و علت آن مجاورت نزدیك با دماي اشباع ميباشد كه باعث ایجاد كاویتاسیون در پمپ آب تغذیه شده و به علت وجود اختلاف ارتفاع زیاد ما بین پمپ آب تغذیه دیگ و مخزن آب ذخیره، میباشد. باقيمانده اكسيژن اضافه در سيستم نيز به صورت شيميايی و با استفاده از (سولفيد سديم، هيدرازين و تانين) خارج ميشود تا از به وجود آمدن خوردگی جلوگيری نمايد. توضيحات بالا حالت معمولی از تصفيه و اكسيژن زدايی در ديگهای تاسيسات صنعتی در كشور انگلستان ميباشد. البته عمل تصفيه و اكسيژن زدايی از طرحها بستگي به اندازه طرح، استاندارهای محلي و كاربردهای خاص دارد و لازم است در مواردی ميزان مواد شيميايی بکار گرفته شده تغيير كند. در مواردی كه ميزان تصفيه شيمايی كمتری لازم است، از دياريتورهای تحت فشار (Pressurized Deaerartors) استفاده می شود.

اصول عملكردي دياریتورهاي تحت فشار شرکت Spirax Sarco:

در صورتی که مايعی در دمای اشباع خود باشد، انحلال پذيری گازها در آن صفر می باشد. اگرچه بايستی در اين حالت مايع را شديداً به هم زد و يا اينکه مايع در حالت جوشش قرار گيرد تا كاملا مطمئن شويم كه مايع به طور كامل هوازدايی شده است. در قسمت بالای دی اريتور، آب ورودی به قطرات ريزتر شکسته شده و در فشار اتمسفر توسط بخار احاطه ميگردند. اين عمل موجب ميشود تا سطح حرارتی وسيع تری در مقابل نرخ عبور جريان ايجاد گردد كه باعث افزايش انتقال سريع حرارت از بخار به آب می شود و قطرات آب سريعا به حالت اشباع ميرسند. در اينجا گازهای محلول در آب از آن خارج ميشوند و سپس به همراه بخار آب اضافي به سمت بيرون هدايت ميشوند. (اين مخلوط گازهای اضافي و بخار در دمای كمتری نسبت به حالت اشباع هستند و اين خروج به صورت ترموستاتيکی به بيرون صورت ميپذيرد.) در اين قسمت آب هوازدايی شده به داخل يک مخزن ذخيره منتقل ميشود.

توزیع آب:
همانطور كه قبلا نيز توضيح داده شد، آب ورودی به دياريتور ميبايستی به قطرات ريز تبديل شود تا سطح انتقال حرارت افزايش يابد. افزايش سريع دمای آب در زمان كوتاه برای خارج شدن گازهای محلول در آن بسيار ضروری به نظر ميرسد. شکستن آب به قطرات ريز در قسمت بالايي (برجک) دياريتور، توسط يکی از راه و روشهاي بکار گرفته شده در برجک انجام ميشود. البته هر كدام از روشهای توزيع آب مزايا و معايبی دارد و نيز هزينه های آن هم قابل بحث است. جدول شماره يک فاكتورهای مهم موجود در اين باره را مورد مقايسه و بررسي قرار ميدهد.

سیستم کنترلی
- کنترل آب:
يک شير كنترلی به همراه اكچوايتوری با عملکرد متناوب (Modulating) برای نگه داشتن سطح آب در حد مجاز برای مخزن آب ذخيره استفاده ميشود. سيستم كنترلی با عملکرد متناوب براي نگه داشتن شرايط در حالت ثبات ضروريت پيدا ميكند. چون برخی اوقات ممکن است كه آب سرد تغذيه وارد سيستم شود و اگر سيستم كنترل به صورت روشن/ خاموش باشد، هجوم سريع آب سرد باعث ايجاد اختلال شده، همچنين نيازهای مصرفی متغير برای آب موجود در دياريتور وجود اينگونه سيستم را ضروری مينمايد. براي ارسال پيوسته سيگنال به كنترلرها نياز به يک پراب (Probe) برای كنترل و اندازه گيری سطح داخل مخزن داريم.

- کنترل بخار:
يک شير كنترلي با عملکرد متناوب نيز در اينجا عبور جريان بخار را تنظيم مينمايد. اين شير نيز به وسيله يک سنسور فشار و كنترلر مخصوص آن مجهز ميباشد تا فشار داخل مخزن را تامين نمايد. سنجش دقيق فشار داخل مخزن به علت رابطه مستقيم آن با دمای داخل دياريتور بسيار مهم و ضروری ميباشد، لذا عملکرد سريع، نياز به يک اكچوايتور پنوماتيکی را برای شير كنترلی لازم و ضروری مينمايد. توجه: شير كنترل فشار پايلوت دار نيز براي مواقعی كه نيازهاي كاربردی ما كوچکتر هستند مورد استفاده قرار ميگيرد، همچنين شيرهاي خود عملگر اكچوايتور ديافراگمی نيز در مواقعی كه ميزان بار روی سيستم ثابت ميباشد، بکار ميروند. تزريق بخار از محل تحتانی برجک دياريتور انجام ميشود و يا در خلاف جهت ورود آب (جريان معکوس) و يا از كنارهها به صورت متقاطع (جريان متقاطع) تزريق ميشود. در هر دو صورت و هرگونه كه بخار جريان داشته باشد، هدف اصلی آن مخلوط شدن حداكثر و تماس و تبادل حرارت مابين جريان آب و بخار آن براي رسيدن به دمای مورد نظر ميباشد. بخار توسط يک ديفيوزر به داخل برجک دياريتور تزريق ميشود تا بتواند عمليات توزيع را به نحو احسن اجرا نمايد. بخار ورودی همچنين باعث فراهم شدن شرايط زير ميشود: عاملی برای انتقال گازها به داخل ونت وجود لايه ای از بخار روي آب ذخيره شده داخل دياريتور لازم ميباشد

- ظرفيت تخليه هوای دياريتور ساخته شده توسط شرکت Spirax Sarco:

درجه حرارت آب تغذیه دیگ همانگونه قبلا نیز عنوان شد در حدود 85 °C بوده كه برای مخزن آب تغذیه كه با فشار اتمسفر در حال كار است حداكثر میزان مجاز ميباشد. همچنین آب در دمای 85 °C حاوي 3.5گرم اكسیژن در 1000كیلوگرم آن ميباشد، و این مقدار اكسیژن به دو علت اصلی همان عامل اصلی صدمات به سیستم های بخار ميباشد، اول اینكه اكسیژن خود را به جدار داخلی لوله ها ميچسباند و باعث ایجاد اكسید، زنگ زدگی ميشود. ثانیاً اكسیژن موجود با دياكسید كربن تركیب شده و ایجاد اسید كربنیك ميكند كه این اسید به صورت طبیعی موجب خوردگی در فلزات و حل كردن آنها در خود ميشود. به همین علت خارج كردن اكسیژن از آب تغذیه دیگ قبل از وارد شدن به دیگ بسیار مفید ميباشد. در صورتیكه باز هم اكسیژنی در سیستم باقي بماند، بایستی از روشهای شیمیایی براي تصفیه استفاده نمود. برای دیگهاي لوله آبی با فشار بالاي كاركرد، و در حالتها سوپرهیت (مافوق گرم) بخار بایستی سطح اكسیژن موجود در آب دیگ خیلي پایین تر نگه داشته شود (براي نمونه به مقدار كمتري از 7قسمت در میلیارد )7ppbو علت این امر این است كه افزایش نرخ آسیب رساندن گازهای حل شده با افزایش دما شدیداً افزایش مي یابد. لذا برای رسدن به چنین سطح پایین از اكسیژن، میتوان از دياریتورهاي تحت فشار استفاده نمود. در صورتی كه آب تا دماي اشباع 100 °Cدر یك مخزن تحت فشار آب تغذیه حرارت ببیند، مقدار اكسیژن باقیمانده در آب به صورت تئوري صفر ميباشد، ولی درعمل مقادیر كمي اكسیژن باقي ميماند. همچنین مشكل دیگر، بخاری است كه از سیستم ونت شده و از مخزن آب تغذیه به هدر ميرود كه به علت بالا بودن مقدار آن، از نظر اقتصادي قابل قبول نیست، به همین علت استفاده از دياریتورهای تحت فشار براي سیستمهای با فشار كاركرد بالای 20bargتوصیه ميشود. دي اریتور تحت فشار اغلب براي كاركرد در فشار 0.2bargطراحي ميشود كه این فشار معادل دمای اشباع آب 105˚Cميباشد، اگرچه بازهم میزان مشخصی از بخار از طریق ونت بیرون رفته و به هدر ميرود، ولی این میزان اتلاف باز هم به مراتب خیلی كمتر از اتلافات مخزن آب تغذیه ميباشد.
علاوه بر اكسیژن سایر گازهای غیرقابل كندانس نیز همزمان با اكسیژن خارج ميشوند. دياریتور به عبارتي تركیبات داخل هوا، عمدتا نیتروژن را به همراه مقداري معین از بخار به بیرون دفع مينماید. میتوان عنوان نمود كه چیزي بیشتر از 3.5 گرم اكسیژن در 1000 كیلوگرم آب میزان هوایی است كه از آب خارج میشود. در واقع مقدار هوای موجود در اب در دماي  80 °Cدر فشار اتمسفر 5.9 گرم در  100 كیلوگرم آب ميباشد. لذا خروج میزان 5/9 گرم هوا در 100 كیلوگرم برای آزاد شدن 3.5گرم اكسیژن ضروری میباشد. از آنجایي كه این هوا با بخار مخلوط ميشود، و در سطح بالای آب موجود در داخل دياریتور قرار دارد تنها راه خروج این هوا، خروج همزمان آن با بخار ميباشد. مقدار مخلوط هوا و بخار را كه بایستی ازسیستم خارج شوند، میتوان به كمك قانون دالتون در مورد فشارهاي جزئی و قانون هانری تخمین زد. یک دياریتور را در نظر بگیرید، قبل از اینكه آب تغذیه وارد دیگ بشود، از یک منبع آب تغذیه با دمای كاركرد 80 °C خارج ميشود. این بدان معنی است كه هر  1000كیلوگرم آب تغذیه حاوی 5.9 گرم هوا ميباشد. در این صورت دياریتور مورد نظر در فشار 0.2barg كه مطابق با دمای اشباع 105˚C ميباشد در حال كار است. لذا تمام هوای موجود در آب داخل دياریتور از آن خارج شده كه به عبارتي 5/9 گرم هوا از از هر 1000كیلوگرم آب زدوده شده است. فرض كنید هوایی كه از درون آب آزاد ميشود با بخار موجود روی سطح آب مخلوط گردد، اگرچه دياریتور در فشار 0.2barg (1.2bara) در حال كار است، دماي مخلوط هوا و بخار 100 °C ميباشد.

فشار دياریتور: 1.2bara

دماي بخار آب دياریتور: °C 100

°C 100 معادل حالت اشباع برای 1atm است: 1.01325bara

 بدین ترتیب با استفاده از قانون دالتون:

در صورتی كه فضای موجود براي بخار در داخل دياریتور به صورت كامل با بخار خالص پر شده باشد، فشار بخار 1.2bara ميباشد. فشار جزئی ناشی از بخار تنها 1.01325bara ميباشد. فشار جزئی ناشی از گازهای غیر قابل كندانس (هوا) برابر اختلاف مابین دو عدد ذكر شده خواهد بود یعنی:

لذا كل مقدار مخلوط هوا و بخار آزاد شده در صورتی كه  5.9gاكسیژن آزاد بشود را میتوان محاسبه نمود:
5.9g + 16.5g = 22.4 gram
به هر حال:

به علت اينکه راه آسانی براي اندازه گيری دقيق دمای تخليه وجود ندارد;

به علت اينکه تنها يک اختلاف فشار بسيار كوچکی مابين دياريتور و اتمسفر وجود دارد;
به علت اينکه نرخ تخليه بسيار كم ميباشد، مکانيزم عملکرد اتوماتيک براي تخليه روی لوله های ونت دياريتور به ندرت بکار گرفته می شود و اين كار عمدتا بوسيله يک شير توپی و يا شير سوزنی و يا اريفيس به صورت دستی انجام ميپذيرد. بايستی در نظر داشت كه اصلی ترين هدف دياريتور، خارج نمودن گازها می باشد.لازم و ضروری است كه اين گازها پس از جدا شدن سريعا از سيستم خارج شوند. با توجه به آزمايشات انجام شده توسط سازندگان دياريتورها، اين سازندگان هدف خود را برای تخليه 22.4 كيلوگرم در ساعت مخلوط بخار و هوا را در 1000 كيلوگرم از ظرفيت دياريتور پايه ريزی مينمايد.
يک راه ساده برای كنترل تخليه از دياريتور، استفاده از يک شير توپی بخار با سايز DN20 مناسب با فشار كاركرد برای باز و بسته كردن سيستم مي باشد.

شرایط عمومي براي دياریتورهاي تحت فشار:
اطلاعات زير به صورت كاملا عمومی بوده و تاسيسات واقعی با توجه به نوع كاربردها و شرايط سيستم، با اطلاعات زير ممکن است در برخی از پارامترها تفاوت داشته باشد. فشار كاری معمولاً در حدود 0.2barg (3psi) میباشد كه در شرایط اشباع دمای  105 °C(221 °F) را داراست.
مخزن برای دیگ در حالت بار كامل محتوی 10 الی 20 دقیقه آب ذخیره میباشد. فشار آب ذخیره ورودی به دیاریتور بایستی حداقل 2bar باشد تا بتواند باعث توزیع هر چه بهتر در خروجی نازل شود. این امر دلالت بر فشار برگشتی بر روی تله های بخار در سیستم و لزوم وجود پمپ كندانس برگشتی دارد. فشار ورودی بخار روی شیر كنترلی قبل از دیاریتور در حدود  5تا 10 بار میباشد. حداكثر تقلیل فشار برای دیاریتور در حدود 5:1 میباشد. برای نرخهای جریان كمتر از این حد برای فرایند، ممكن است فشار برای پودر كردن جریان و اسپری شدن آب برای توزیع وجود نداشته باشد. این مشكل با اضافه كردن یك یا چند محفظه دیگر به سیستم قابل حل میباشد؛ ظرفیت كل این محفظه ها با نرخ جریان دیگ برابر بوده و در مواقعی كه مصرف در سطح پایینی باشد یك یا چند محفظه به صورت خاموش در خواهند آمد. عمل گرمایش در محفظه ذخیره در شرایط راه اندازی توسط یک كویل یا تزریق مستقیم انجام میپذیرد. طراحی مخزن، مواد بكار رفته در آن، ساخت، تولید، گواهینامه آن نیز میبایستی مطابق با استاندارهای خاص خود باشد، به طور مثال: در انگلستان استاندارد .PD5500  تعادل گرمایشی در دیاریتور به طور معمول (نه همیشه) براورده شود، افزایش برای آبی كه به آن میشود. به میزان 20 °C است. معمولاً ورود آب به دیاریتور در دمای 85 °Cصورت میپذیرد. اگر بنا به هر علتی دمای آب ورودی به دیاریتور به طور محسوسی بالاتر از این حد باشد، در این صورت میزان بخار مورد نیاز برای رسیدن دما به نقطه تنظیم كاهش خواهد یافت. از طرف دیگر این بدان معنی
است كه شیر كنترل جلوی عبور بخار را گرفته و باعث میشود نرخ جریان بخار به حدی كاهش یابد كه حتی باعث تحت تاثیر قرار گرفتن خروجی نازل برای اسپری كردن بخار بشود. در چنین حالاتی كه درصد بالایی از كندانس برگشت داده شده و بازیافت میگردد. اقدامات دیگری در این خصوص برای انجام هوازدایی مناسب مورد نیاز میباشد. در این حالت، تعادل حرارتی دیاریتور با استفاده از پارامترهای مختلف محاسبه میشود و یا اینكه ممكن است دیاریتور در فشارهای بالاتر بكار گرفته شود.

هزينه ها و توجيهات:
هزینه:
در ارتباط با علكرد دیاریتور بایستی عنوان نمود كه هیچگونه هزینه اضافی از بابت انرژی مصرفی برای سیستم در بر نخواهد داشت و حداكثر بخار وارد شده به سیستم چه دیاریتور داشته باشیم و چه دیاریتور در سیستم وجود نداشته باشد برابر است و علت آن بخاری است كه باعث افزایش دمای آب تغذیه میگردد كه موجب بالا رفتن راندمان سیستم هم میشود. (توضیح اینكه در صورت عدم وجود دیاریتور راندمان كاسته میشود و خود دیگ بایستی آب تغذیه را گرم نماید.)
اگرچه:
مقداری اتلاف گرمايی در دیاريتور اجتناب ناپذير است (كه با عايق كاری مناسب به حداقل میرسد) راه اندازی پمپ انتقال آب مابين دیاريتور و منبع آب تغذيه دارای هزينه است.
مقداری بخار به همراه گازهای غيرقابل كندانس از سيستم خارج شده و اتلاف میشود.

توجیهات:
دلايل اصلی انتخاب دیاريتور تحت فشار برای سيستم عبارتند از:
كاهش سطح اكسيژن به كمترين ميزان خود (كمتر از 20 جزء در يک ميليارد) بدون استفاده از مواد شيميايی كه اين خود باعث حذف خوردگی از بابت آب تغذيه در ديگ میشود. صرفه جويی از بابت كاهش هزينه ها در ارتباط با تصفيه شيميايی و مواد شيميايی، اين موضوع در خصوص ديگهای لوله آبی با ظرفيت بالا و گذر بالای جريان بيشتر مصداق دارد و همچنين سطح كنترل ) TDSكمتر از 1000 (ppm برای آب تغذيه بايستی تامين گردد.
مواد شيميايی كه آب تغذيه جهت اكسيژن زدايی اضافه میشوند خود باعث میگردند كه ديگ به زير آب زنی بيشتری نياز پيدا كند. از اين رو با كاهش يا حذف مواد شيميايی جهت اكسيژن زدایی، اولا نرخ زير آب زنی كاهش يافته و در ثانی موجب كاهش هزينه در خصوص استفاده از مواد شيميايی میشود. جلوگيری از آلودگی برای مواقعی كه بخار به صورت مستقيم در ارتباط با محصول میباشد، برای مثال: صنايع غذايی استرليزاسيون از اين قبيل هستند.

نویسنده : علی منتظرالظهور  پاییز 1401