Khử khí chân không trong xử lý nước

Nước trông có vẻ sạch vẫn có thể tiềm ẩn nhiều vấn đề. Các khí hòa tan — oxy, carbon dioxide, nitơ và một lượng nhỏ các khí khác — không nhìn thấy được, nhưng chúng gây ăn mòn, cản trở các quy trình xử lý và tạo ra những rắc rối về tuân thủ. Trong nước cấp lò hơi, oxy hòa tan ăn mòn các đường ống thép và bộ trao đổi nhiệt. Trong nước uống, lượng carbon dioxide dư thừa làm thay đổi độ pH và khiến việc khử trùng trở nên khó lường. Trong các vòng tuần hoàn làm mát công nghiệp, không khí hòa tan gây ra hiện tượng xâm thực bơm và làm giảm hiệu quả truyền nhiệt.

Khử khí chân không là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để loại bỏ các khí này. Đây không phải là một ý tưởng mới — các nhà máy điện và phòng lò hơi đã sử dụng nó trong nhiều thập kỷ — nhưng các quy định chặt chẽ hơn, chi phí năng lượng cao hơn và các yêu cầu về chất lượng nước khắt khe hơn đang thúc đẩy nó vào các ứng dụng mới trong xử lý nước đô thị và công nghiệp.

Bài viết này giải thích khử khí chân không hoạt động như thế nào, tại sao nó quan trọng và cách chọn hệ thống phù hợp cho quy trình xử lý nước của bạn.

Tại sao khí hòa tan lại là vấn đề

Các khí hòa tan trong nước không phải là ngẫu nhiên. Chúng xâm nhập vào nước thông qua tiếp xúc với khí quyển, thông qua các quy trình sục khí, hoặc là sản phẩm phụ của các phản ứng hóa học. Một khi đã hòa tan, chúng vẫn ở trong dung dịch cho đến khi có sự thay đổi — nhiệt độ, áp suất hoặc cân bằng hóa học.

Oxy là khí tai tiếng nhất. Ngay cả vài phần triệu cũng có thể gây ăn mòn nghiêm trọng cho đường ống thép cacbon và lò hơi. Thiệt hại không phải lúc nào cũng rõ ràng ngay từ đầu; nó bắt đầu như ăn mòn rỗ, sau đó tăng tốc thành rò rỉ và hỏng hóc. Trong các hệ thống lò hơi, ăn mòn do oxy là nguyên nhân hàng đầu gây ra thời gian ngừng hoạt động không theo kế hoạch.

Carbon dioxide hòa tan tạo thành axit cacbonic, làm giảm độ pH và khiến nước có tính ăn mòn đối với kim loại và bê tông. Trong nước uống, nó làm phức tạp việc điều chỉnh độ pH và có thể làm tăng nhu cầu về hóa chất kiềm. Trong nước công nghiệp có độ tinh khiết cao, ngay cả một lượng nhỏ CO₂ cũng cản trở các phép đo độ dẫn điện và điện trở suất.

Nitơ chủ yếu là trơ, nhưng khi nó thoát ra khỏi dung dịch, nó tạo thành các bọt khí gây ra hiện tượng xâm thực bơm, làm giảm hiệu quả truyền nhiệt và tạo ra hoạt động ồn ào, kém hiệu quả.

Các khí khác — metan, hydro sunfua, clo và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi — xuất hiện trong các ứng dụng cụ thể. Mỗi loại mang đến những vấn đề riêng, từ mùi hôi đến độc tính và nguy cơ cháy nổ.

Điểm chung là tất cả chúng đều không mong muốn. Khử khí chân không cung cấp cho bạn một cách để loại bỏ chúng.

Khử khí chân không hoạt động như thế nào

Nguyên lý rất đơn giản: khí hòa tan tốt hơn ở áp suất cao và thoát ra khỏi dung dịch khi áp suất giảm. Trong thiết bị khử khí chân không, nước được tiếp xúc với môi trường áp suất thấp — thường là từ 0,02 đến 0,2 bar tuyệt đối — nơi các khí hòa tan không còn khả năng hòa tan. Chúng rời khỏi pha lỏng và được hệ thống chân không mang đi.

Hiệu quả của quy trình phụ thuộc vào ba yếu tố:

• Diện tích bề mặt. Diện tích bề mặt mà nước tiếp xúc với chân không càng lớn thì khí thoát ra càng nhanh. Đây là lý do tại sao các thiết bị khử khí sử dụng vật liệu đệm, khay hoặc vòi phun sương để chia nước thành các màng mỏng hoặc giọt.

• Thời gian lưu. Nước phải ở trong môi trường chân không đủ lâu để khí khuếch tán ra khỏi khối chất lỏng.

• Mức độ chân không. Áp suất tuyệt đối thấp hơn có nghĩa là độ hòa tan của khí thấp hơn. Chân không sâu hơn sẽ loại bỏ nhiều khí hơn, nhưng chi phí sản xuất cũng cao hơn.

Trong thực tế, hầu hết các thiết bị khử khí xử lý nước đạt hiệu quả loại bỏ 90–99% oxy hòa tan và CO₂. Hiệu suất chính xác phụ thuộc vào thiết kế hệ thống và nồng độ khí đầu vào.

Khử khí chân không được sử dụng ở đâu

Xử lý nước cấp lò hơi là ứng dụng cổ điển. Loại bỏ oxy hòa tan và CO₂ ngăn ngừa ăn mòn trong lò hơi, bộ gia nhiệt nước cấp và đường ống hồi nước ngưng. Các hệ thống lò hơi hiện đại thường kết hợp khử khí chân không với các chất loại bỏ oxy hóa học để tạo ra lớp phòng thủ hai lớp.

Xử lý nước uống sử dụng khử khí chân không để loại bỏ lượng CO₂ dư thừa, điều chỉnh độ pH và cải thiện hiệu quả khử trùng. Nó cũng được sử dụng để loại bỏ các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) và radon khỏi nước ngầm.

Nước làm mát công nghiệp hưởng lợi từ việc khử khí vì không khí hòa tan gây ra hiện tượng xâm thực bơm và làm giảm hiệu suất bộ trao đổi nhiệt. Loại bỏ không khí giúp ổn định dòng chảy và cải thiện hiệu quả năng lượng.

Xử lý nước thải sử dụng khử khí chân không để loại bỏ các khí có mùi như hydro sunfua, và để chuẩn bị nước cho lọc màng hoặc xả thải.

Hệ thống nước siêu tinh khiết — dược phẩm, bán dẫn và nhà máy điện — dựa vào khử khí chân không để đạt được mức khí hòa tan cực thấp.

Chọn hệ thống chân không phù hợp

Bơm chân không là trái tim của bất kỳ hệ thống khử khí nào. Có nhiều công nghệ khác nhau, mỗi loại đều có những đánh đổi.

Bơm vòng chất lỏng là lựa chọn phổ biến cho việc khử khí nước vì chúng chịu được độ ẩm và sự cuốn theo chất lỏng. Chúng bền bỉ, đơn giản và đáng tin cậy. Tuy nhiên, chúng tiêu thụ nước làm kín và có hiệu quả năng lượng ở mức trung bình.

Bơm trục vít khô cung cấp hoạt động không dầu và hiệu quả cao. Chúng ngày càng được chỉ định cho các lắp đặt mới nơi độ tinh khiết của sản phẩm và chi phí năng lượng là quan trọng. Chúng yêu cầu tách nước đầu vào tốt để tránh sự xâm nhập của chất lỏng, nhưng thiết kế hiện đại xử lý hơi nước tốt.

Máy thổi khí Roots thường được sử dụng làm bộ tăng áp kết hợp với các bơm khác để đạt được chân không sâu hơn hoặc công suất cao hơn. Chúng không được sử dụng một mình cho các ứng dụng ẩm.

Máy hút hơi nước là một lựa chọn khi có sẵn hơi nước và điện đắt đỏ. Chúng không có bộ phận chuyển động, nhưng chúng tiêu thụ hơi nước và tạo ra nước thải.

Lựa chọn phù hợp phụ thuộc vào mức độ chân không yêu cầu, tải khí, nhiệt độ nước và các ưu tiên chi phí vận hành của cơ sở.

Các yếu tố cần xem xét khi thiết kế hệ thống

Thiết bị khử khí chân không không chỉ là một chiếc bơm. Hệ thống bao gồm bình khử khí, vật liệu đệm hoặc khay, hệ thống phân phối nước, đường ống chân không và hệ thống điều khiển. Mỗi thành phần đều ảnh hưởng đến hiệu suất.

Thiết kế bình chứa quyết định mức độ tiếp xúc của nước với chân không. Cột đệm cung cấp diện tích bề mặt lớn nhưng có thể bị tắc nghẽn bởi các chất rắn lơ lửng. Hệ thống phun sương đơn giản hơn nhưng kém hiệu quả hơn. Thiết kế khay nằm ở giữa.

Nhiệt độ nước rất quan trọng vì độ hòa tan của khí giảm khi nhiệt độ tăng. Nước ấm khử khí dễ dàng hơn, nhưng nó cũng làm tăng tải hơi nước lên bơm chân không.

Điều khiển chân không là cần thiết cho hoạt động ổn định. Nếu chân không quá sâu, nước có thể bốc hơi thành hơi nước. Nếu quá nông, việc khử khí sẽ không hoàn chỉnh. Van điều khiển tự động và bộ truyền áp suất duy trì điểm đặt.

Vật liệu phải chống ăn mòn từ các khí được loại bỏ. Carbon dioxide và hydro sunfua có tính ăn mòn đặc biệt. Thường được chỉ định sử dụng thép không gỉ hoặc các bộ phận được phủ.

Bảo trì và khắc phục sự cố

Hệ thống khử khí chân không tương đối ít bảo trì, nhưng chúng không phải là không cần bảo trì.

Hiệu suất bơm suy giảm theo thời gian. Mài mòn phớt, ăn mòn bên trong và tắc nghẽn làm giảm hiệu quả. Theo dõi định kỳ mức độ chân không và dòng điện của bơm sẽ phát hiện sớm các vấn đề.

Vật liệu đệm và khay có thể bị tắc nghẽn bởi cặn, sự phát triển sinh học hoặc các chất rắn lơ lửng. Việc làm sạch hoặc thay thế là định kỳ.

Rò rỉ chân không là nguyên nhân phổ biến gây ra hiệu suất kém. Không khí rò rỉ vào hệ thống làm tăng áp suất tuyệt đối và giảm hiệu quả khử khí. Kiểm tra rò rỉ nên là một phần của bảo trì định kỳ.

Chất lượng nước ảnh hưởng đến tuổi thọ hệ thống. Nước cứng gây ra cặn; nước ăn mòn tấn công vật liệu. Có thể cần tiền xử lý.

Tóm tắt

Khử khí chân không là một phương pháp đã được chứng minh, hiệu quả để loại bỏ khí hòa tan khỏi nước. Nó ngăn ngừa ăn mòn, cải thiện hiệu suất xử lý và giúp đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng nước. Công nghệ này đã được thiết lập vững chắc trong xử lý nước cấp lò hơi và đang tìm kiếm các ứng dụng mới trong xử lý nước uống, nước làm mát công nghiệp và nước thải.

Việc lựa chọn bơm chân không phù hợp — vòng chất lỏng, trục vít khô hoặc hệ thống lai — phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể, mức độ chân không yêu cầu và các ưu tiên vận hành của cơ sở. Một hệ thống được thiết kế tốt sẽ mang lại nhiều năm hoạt động đáng tin cậy, bảo vệ thiết bị và đảm bảo chất lượng nước.

Câu hỏi thường gặp về kỹ thuật

H: Mức độ chân không điển hình cho việc khử khí nước là bao nhiêu?
Đ: Hầu hết các thiết bị khử khí nước hoạt động trong khoảng từ 0,02 đến 0,2 bar tuyệt đối. Mức độ chính xác phụ thuộc vào các khí đang được loại bỏ và hiệu quả loại bỏ mong muốn.

H: Khử khí chân không có thể loại bỏ tất cả oxy hòa tan không?
Đ: Nó có thể loại bỏ 90–99% oxy hòa tan. Đối với nước cấp lò hơi, lượng oxy còn lại thường được xử lý bằng các chất loại bỏ hóa học để đạt được mức ppb thấp theo yêu cầu.

H: Sự khác biệt giữa khử khí chân không và khử khí bằng màng là gì?
Đ: Khử khí chân không sử dụng bình áp suất thấp để loại bỏ khí. Khử khí bằng màng sử dụng màng kỵ nước để tách khí khỏi nước. Hệ thống màng nhỏ gọn nhưng phù hợp hơn cho lưu lượng thấp và các ứng dụng có độ tinh khiết cao.

H: Làm thế nào để chọn giữa bơm vòng chất lỏng và bơm trục vít khô để khử khí?
Đ: Bơm vòng chất lỏng xử lý độ ẩm tốt và bền bỉ, nhưng chúng tiêu thụ nước làm kín. Bơm trục vít khô tiết kiệm năng lượng hơn và không dầu, nhưng yêu cầu tách chất lỏng tốt. Lựa chọn phụ thuộc vào chất lượng nước, chi phí năng lượng và nguồn lực bảo trì.

H: Hệ thống khử khí chân không cần bảo trì gì?
Đ: Kiểm tra định kỳ mức độ chân không, dòng điện bơm và tình trạng phớt. Vật liệu đệm hoặc khay nên được kiểm tra xem có bị tắc nghẽn không. Nên kiểm tra rò rỉ định kỳ. Có thể cần tiền xử lý chất lượng nước để ngăn ngừa đóng cặn.