وارونگی انحلال‌پذیری گازها در دمای بویلر بخار: راز راندمان گاززدایی دی‌اِریتور

برای آن‌که سیستم‌های تولید بخار صنعتی بدون فرسودگی و انهدام سازه‌های فولادی خود کار کنند، آب تغذیه بویلر باید دقیقاً در کف ترمودینامیکی انحلال‌پذیری گازها نگه داشته شود. اگر آب بیش از حد سرد باشد، اکسیژن خورنده درون مایع حبس می‌ماند و اگر بیش از اندازه حرارت ببیند، یک رفتار ویژه در شیمی‌فیزیک باعث انحلال دوباره گاز درون آب می‌شود.[5]

این تعادل حساس، کارکرد تمام نیروگاه‌ها و پالایشگاه‌های بزرگ را هدایت می‌کند. لوله‌های بویلر مدام با تهدید اکسیژن محلول مواجهند؛ گازی که جرقه خوردگی‌های حفره‌ای و موضعی بسیار سریع را می‌زند. اگر جلوی این اکسیداسیون گرفته نشود، می‌تواند دیواره‌های فولاد کربنی به ضخامت ۰.۲۵ اینچ را ظرف شش تا هشت هفته سوراخ کند و خسارت بار آورد.[6]

روش سنتی حفاظت بر یکی از اصول بنیادین شیمی‌فیزیک موسوم به قانون هنری، مصوب ۱۸۰۳، متکی است. این قانون می‌گوید میزان انحلال یک گاز در مایع مستقیماً با فشار جزئی آن گاز در بالای مایع متناسب است. بنابراین گرم کردن آب این حلالیت را کاهش می‌دهد و گاز را بیرون می‌راند.[2]

بسیاری از مهندسان می‌پندارند این رابطه کاملاً خطی است و تصور می‌کنند آب گرم‌تر همواره گاز محلول کمتری دارد. این فرض در دمای اتاق کاملاً صادق است، جایی که گرم کردن یک بشر آب حباب‌های هوا را روانه سطح می‌کند. با این حال، در شرایط سخت بویلرهای صنعتی این مدل خطی رنگ می‌بازد.[3]

ترمودینامیک جذب مجدد گازها

هنگامی که آب تحت فشار به نقطه جوش خود نزدیک می‌شود، نمودار انحلال‌پذیری گازهای غیرقطبی مثل اکسیژن و دی‌اکسید کربن مسطح می‌گردد. حلالیت به جای آن‌که همین‌طور به سمت صفر میل کند، به یک کمینه قطعی می‌رسد. فراتر از این گودی دمایی، انحلال‌پذیری بار دیگر رو به افزایش می‌گذارد.[3][4]

این پدیده به «وارونگی انحلال‌پذیری گاز» شناخته می‌شود. دلیلش این است که جریمه آنتروپی ناشی از حل شدن گاز در یک مایع دارای ساختار منظم، با پرانرژی‌تر و نامنظم‌تر شدن مولکول‌های آب کاهش می‌یابد. در دماهای بالاتر، ماتریکس آب به‌اصطلاح باز شده و حفره‌های میکروسکوپی تازه‌ای برای مولکول‌های گاز فراهم می‌آورد.[5]

در مورد اکسیژن درون آب، این فرورفتگی وارونگی معمولاً در فشار یک اتمسفر بین ۹۵ تا ۱۰۵ درجه سلسیوس رخ می‌دهد. اگر سیستم آب تغذیه دما را بدون تخلیه گاز به ۱۵۰ درجه سلسیوس در فشار ۵ بار برساند، آب مجدداً اکسیژن را جذب خواهد کرد و این عملاً کل زحمت فرایند حرارت‌دهی را هدر می‌دهد.[3]

برای بهره‌برداری دقیق از این گودی، مهندسان به تجهیز خاصی به نام «دی‌اِریتور» یا گاززدا متکی هستند. این مخزن فولادی عظیم به‌گونه‌ای طراحی شده که آب تغذیه را دقیقاً در کمینه انحلال‌پذیری نگه دارد و با تزریق بخار، هم‌زمان آب را گرم کرده و گازهای رهاشده را جاروب کند.[1]

طراحی مهندسی برای رسیدن به گودی بهینه

معماری مکانیکی دی‌اِریتور سراسر از روی همین وارونگی ترمودینامیکی شکل گرفته است. آب از بالای کلاهک مخزن وارد شده و روی مجموعه‌ای از سینی‌های سوراخ‌دار از جنس فولاد ضدزنگ فرومی‌ریزد. این حرکت آبشاری سطح تماس را در برابر بخاری که از پایین می‌آید به بیشترین حد ممکن می‌رساند.[1]

بخار در این جریان ناهمسو دو مأموریت دارد: آب ورودی را دقیقاً به دمای اشباع برای فشار کاری مخزن می‌رساند و در عین حال، فشار جزئی اکسیژن را در فاز بخار به نزدیک صفر افت می‌دهد.[1][5]

با اشباع کردن اتمسفر بالای آب توسط بخار خالص، سامانه اکسیژن محلول را وادار به گریز می‌کند. این مکانیسم از تنظیم هم‌زمان دما و فشار جزئی بخار پیرامونی بهره می‌برد تا گاز مدام به سمت بیرون رانده شود.[1][2]

بر پایه متون مرجع مهندسی، «دی‌اِریتورها برای حذف اکسیژن و سایر گازهای محلول از آب تغذیه طراحی شده‌اند». این تعریف نشان می‌دهد این تجهیز باید به‌طور هم‌زمان از پس گونه‌های گوناگون گاز برآید.[1]

برای پیشگیری از وقوع وارونگی و کشیده شدن دوباره گازها به درون مایع، دی‌اِریتور باید اکسیژن آزادشده را پیوسته تخلیه کند. یک شیر کوچک در بالای کلاهک مخزن، جریان مداومی از بخار و گازهای چگالش‌ناپذیر را بیرون می‌فرستد تا فشار جزئی اکسیژن هرگز بالا نرود.[1]

چرا جاذب‌های شیمیایی به‌تنهایی کافی نیستند؟

برخی مدیران تأسیسات گمان می‌کنند گاززدایی مکانیکی بیش از حد پیچیده است و ترجیح می‌دهند به جاذب‌های شیمیایی اکسیژن مثل سولفیت سدیم یا هیدرازین تکیه کنند. این مواد مستقیماً با اکسیژن محلول واکنش می‌دهند و آن را به ترکیبات بی‌خطر بدل می‌کنند تا به فولاد بویلر آسیبی نزند.[6]

حذف شیمیایی هرچند مؤثر است، اما انتخاب آن به‌عنوان سد دفاعی نخست، خطایی پرهزینه در مهندسی به شمار می‌رود. سولفیت سدیم باید با نسبتی در حدود ۸ واحد ماده شیمیایی به ۱ واحد اکسیژن تزریق شود. تصفیه ۱۰۰۰ گالن آب کاملاً اشباع در ۲۰ درجه سلسیوس، به مقادیر هنگفت و سرسام‌آوری از مواد شیمیایی نیاز دارد.[6]

افزون بر این، افزودن بیش از حد سولفیت سدیم مقدار کل جامدات محلول (TDS) را در آب بویلر بالا می‌برد. این اتفاق مجتمع را مجبور به زیرآب‌کشی یا بلودان (Blowdown)های پیاپی می‌کند؛ یعنی دور ریختن تعمدی آب داغ و تصفیه‌شده برای جلوگیری از تشکیل رسوب. اتلاف انرژی حاصل از این کار بسیار بیشتر از هزینه راه‌اندازی یک دی‌اِریتور مکانیکی است.[5][6]

هیدرازین، به‌عنوان ماده جاذب جایگزین، مشکل جامدات محلول را حل می‌کند اما خطرات زیست‌محیطی و ایمنی شدیدی به همراه دارد. هیدرازین ماده‌ای بسیار سمّی و فرّار است که نیازمند دستورالعمل‌های سخت‌گیرانه حفاظتی است. از این رو، استانداردهای روز صنعتی حکم می‌کنند که جاذب‌های شیمیایی فقط باید برای زدودن واپسین بقایای اکسیژن به کار روند.[6]

چالش بویلرهای فشاربالا

لزوم استفاده از دی‌اِریتور در نیروگاه‌های فشاربالا بسیار حیاتی‌تر می‌شود. بویلرهای نیروگاهی امروزی در فشارهای فراتر از ۱۰۰ بار کار می‌کنند؛ جایی که حتی مقادیر ذره‌بینی اکسیژن می‌تواند به تردی هیدروژنی مهلک و ترکیدگی لوله‌ها بینجامد. رواداری در برابر گازهای محلول در این فشارها تقریباً به صفر می‌رسد.[6]

در چنین شرایط سختی، منحنی وارونگی حلالیت به یک مرز عملیاتی حیاتی تبدیل می‌شود. نوسان فشار در دی‌اِریتور، دمای اشباع را جابه‌جا کرده و عملاً آب را از گودی بهینه حلالیت خارج می‌کند. سیستم ناگزیر است نقطه تنظیم فشار را به‌دقت بین ۰.۳ تا ۱.۴ بار گیج حفظ کند.[1][4]

در فشار کاری متعارف ۰.۳ بار گیج، آب در حدود ۱۰۵ درجه سلسیوس به جوش می‌آید. این نقطه روی نقشه ترمودینامیک بهترین مصالحه ممکن است؛ چرا که کمترین میزان حلالیت اکسیژن را ایجاد می‌کند و در عین حال، فشار لازم برای تأمین مکش پمپ‌های آب تغذیه در پایین‌دست را فراهم می‌سازد.[1][3]

تثبیت این مختصات نیازمند پایش و کنترل دقیق ابزار دقیق است. ترانسمیترهای فشار و شیرهای کنترلی بخار در یک حلقه بازخورد پیوسته، دبی بخار را متناسب با حجم آب ورودی تنظیم می‌کنند. ورود ناگهانی کندانس سرد می‌تواند افت ناگهانی فشار را رقم بزند، حلالیت گاز را بلافاصله بالا ببرد و کل فرآیند تصفیه را برهم زند.[1][5]

مرز نهایی جداسازی مکانیکی

اگر سیستم در گودی وارونگی به‌درستی کار کند، راندمان دی‌اِریتور سینی‌دار چشمگیر خواهد بود. استانداردهای صنعتی تضمین می‌کنند که جداسازی مکانیکی، اکسیژن محلول را به ۷ قسمت در میلیارد وزنی (ppb) رسانده و هم‌زمان تمام دی‌اکسید کربن قابل‌اندازه‌گیری را خارج می‌کند.[1]

با وجود این، جداسازی مکانیکی توان رسیدن به صفر مطلق را ندارد. آن ۷ قسمت در میلیارد نهایی، حد مجانبی فرایند است؛ نقطه‌ای که انرژی لازم برای کندن مولکول‌های باقیمانده از ظرفیت حرارتی بخار فراتر می‌رود. اینجاست که جاذب‌های شیمیایی ارزش واقعی خود را به نمایش می‌گذارند.[5][6]

در نهایت، تمام سازوکار تولید بخار صنعتی بر پایه درک یک رفتار ویژه در شیمی‌فیزیک استوار است. مهندسان با شناخت و بهره‌گیری از وارونگی انحلال‌پذیری گازها، می‌توانند سازه‌هایی به ارزش میلیون‌ها دلار را صرفاً با بخار کنترل‌شده و جریان آبشاری آب در برابر خوردگی محافظت کنند.[5]