Deaerators sous pression

La necessite d’eliminer les gaz de l’eau d’alimentation du boiler et le fonctionnement d’un deaerator sous pression, ainsi que des calculs.

Pourquoi les gaz doivent etre elimines de l’eau d’alimentation du boiler

L’oxygene est la principale cause de corrosion dans les reservoirs de retour d’eau, les conduites d’alimentation, les pompes d’alimentation et les boilers. Si du dioxyde de carbone est egalement present, le pH sera bas, l’eau aura tendance a etre acide, et le taux de corrosion sera augmente. Generalement, la corrosion est du type piqûres ou, bien que la perte de metal puisse ne pas etre grande, une penetration profonde et une perforation peuvent survenir en peu de temps.

L’elimination de l’oxygene dissous peut etre realisee par des methodes chimiques ou physiques, mais plus generalement par une combinaison des deux.

Les exigences essentielles pour reduire la corrosion sont de maintenir l’eau d’alimentation a un pH d’au moins 8,5 a 9, le niveau le plus bas ou le dioxyde de carbone est absent, et d’eliminer toute trace d’oxygene. Le retour de condensat de l’installation aura un impact significatif sur le traitement de l’eau d’alimentation du boiler - le condensat est chaud et deja chimiquement traite, par consequent a mesure que plus de condensat est retourne, moins de traitement d’eau d’alimentation est necessaire.

L’eau exposee a l’air peut se saturer d’oxygene, et la concentration variera avec la temperature : plus la temperature est elevee, plus la teneur en oxygene est basse.

La premiere etape du traitement de l’eau d’alimentation est de chauffer l’eau pour eliminer l’oxygene. Generalement, un feedtank de boiler devrait fonctionner entre 85°C et 90°C. Cela laisse une teneur en oxygene d’environ 2 mg/litre (ppm). Un fonctionnement a des temperatures plus elevees que cela a pression atmospherique peut etre difficile en raison de la proximite de la temperature de saturation et de la probabilite de cavitation dans la pompe d’alimentation, a moins que le feedtank ne soit installe a un niveau tres eleve au-dessus de la pompe d’alimentation du boiler.

L’ajout d’un chimique de piegeage de l’oxygene (sulfite de sodium, hydrazine ou tannin) eliminerait l’oxygene restant et empecherait la corrosion.

Ceci est le traitement normal pour les installations de boilers industriels au Royaume-Uni. Cependant, des installations existent qui, en raison de leur taille, de leur application speciale ou de leurs normes locales, devront soit reduire soit augmenter la quantite de produits chimiques utilises. Pour les installations qui ont besoin de reduire la quantite de traitement chimique, il est courant d’utiliser un deaerator sous pression.

Principes de fonctionnement d’un deaerator sous pression

Si un liquide est a sa temperature de saturation, la solubilite d’un gaz en son sein est nulle, bien que le liquide doive etre fortement agite ou bouilli pour s’assurer qu’il est completement desaere.

Ceci est obtenu dans la section superieure d’un deaerator en decomposant l’eau en autant de petites gouttes que possible, et en entourant ces gouttes d’une atmosphere de vapeur. Cela donne un rapport surface/masse eleve et permet un transfert de chaleur rapide de la vapeur a l’eau, qui atteint rapidement la temperature de saturation de la vapeur. Cela libere les gaz dissous, qui sont ensuite entraines avec l’exces de vapeur pour etre evacues a l’atmosphere. (Ce melange de gaz et de vapeur est a une temperature inferieure a la temperature de saturation et l’event fonctionnera de maniere thermostatique). L’eau desaeree tombe ensuite dans la section de stockage du recipient.

Un couverture de vapeur est maintenue au-dessus de l’eau stockee pour s’assurer que les gaz ne sont pas reabsorbes.

Distribution de l’eau

L’eau entrante doit etre decomposee en petites gouttes pour maximiser le rapport surface d’eau/masse. C’est essentiel pour elever la temperature de l’eau et liberer les gaz pendant la tres courte periode de residence dans le dome (ou la tete) du deaerator.

La decomposition de l’eau en petites gouttes peut etre realisee en utilisant l’une des methodes employees dans l’environnement de vapeur du dome. Il y a bien entendu des avantages et des inconvenients associes a chaque type de distribution d’eau, ainsi que des implications de cout. Le Tableau 3.21.1 compare et resume certains des facteurs les plus importants :

Systemes de controle

Controle de l’eau Une vanne de controle modulante est utilisee pour maintenir le niveau d’eau dans la section de stockage du recipient. Un controle modulant est necessaire pour donner des conditions de fonctionnement stables, car l’afflux soudain d’eau relativement froide avec un systeme de controle d’eau tout ou rien pourrait avoir un impact profond sur le controle de la pression, ainsi que sur la capacite du deaerator a repondre rapidement aux changements de demande. Puisqu’un controle modulant est necessaire, une sonde de niveau de type capacitif peut fournir le signal analogique requis de niveau d’eau. Controle de la vapeur Une vanne de controle modulante regule l’alimentation en vapeur. Cette vanne est modulee via un controleur de pression pour maintenir une pression dans le recipient. Un controle precis de la pression est tres important car c’est la base du controle de la temperature dans le deaerator, par consequent une vanne de controle a actionneur pneumatique a action rapide sera utilisee. Remarque : Une vanne de controle de pression pilotee peut etre utilisee sur les petites applications, et une vanne de controle a actionneur a membrane autonome peut etre utilisee lorsque la charge est garantie etre assez constante. L’injection de vapeur peut se produire a la base de la tete, et circuler dans le sens oppose a l’eau (contre-courant), ou depuis les cotes, croisant le flux d’eau (flux croise). Quelle que soit la direction d’ou vient la vapeur, l’objectif est de fournir une agitation maximale et un contact entre les flux de vapeur et d’eau pour elever l’eau a la temperature requise. La vapeur est injectee via un diffuseur pour assurer une bonne distribution de la vapeur dans le dome du deaerator. La vapeur entrante fournit egalement :

• Un moyen de transporter les gaz vers l’event d’air.
• Une couverture de vapeur necessaire au-dessus de l’eau desaeree stockee. Capacite d’evacuation d’air du deaerator Dans les modules precedents, des temperatures d’eau d’alimentation typiques ont ete citees a environ 85°C, ce qui est une valeur pratique maximale pour un feedtank de boiler a event fonctionnant a la pression atmospherique. On sait egalement que l’eau a 85°C contient environ 2,3 grammes d’oxygene pour 1 000 kg d’eau, et que c’est l’oxygene qui cause les dommages majeurs dans les systemes de vapeur pour deux raisons principales. Premierement, il s’attache a l’interieur des tuyaux et appareils, formant des oxydes, de la rouille et du tartre ; deuxiemement, il se combine avec le dioxyde de carbone pour produire de l’acide carbonique, qui a une affinite naturelle pour generalement corroder les metaux et dissoudre le fer. A cause de cela, il est utile d’eliminer l’oxygene de l’eau d’alimentation du boiler avant qu’elle n’entre dans le boiler. Les installations basse et moyenne pression alimentees en vapeur saturee par un boiler a corps fonctionneront tres bien avec un feedtank soigneusement concu incorporant un deaerator atmospherique (appele semi-deaerator). Les traces restantes d’oxygene sont eliminees par des moyens chimiques, et ceci est generalement economique pour ce type d’installation de vapeur. Cependant, pour les boilers a tubes d’eau haute pression et les installations de vapeur traitant de la vapeur surchauffee, il est vital que le niveau d’oxygene dans l’eau du boiler soit maintenu beaucoup plus bas (generalement inferieur a sept parties par milliard - 7 ppb), car le taux d’attaque du aux gaz dissous augmente rapidement avec des temperatures plus elevees. Pour atteindre de tels niveaux bas d’oxygene, des deaerators sous pression peuvent etre utilises.

Si l’eau d’alimentation etait chauffee a la temperature de saturation de 100°C dans un feedtank atmospherique, la quantite d’oxygene contenue dans l’eau serait theoriquement nulle ; bien qu’en pratique, il soit probable que de petites quantites d’oxygene restent. Il est egalement vrai que la perte de vapeur d’un feedtank a event serait assez elevee et economiquement inacceptable, et c’est la principale raison pour laquelle les deaerators sous pression sont preferes pour les installations a pression plus elevee fonctionnant generalement au-dessus de 20 bar g.

Un deaerator sous pression est souvent concu pour fonctionner a 0,2 bar g, equivalent a une temperature de saturation de 105°C, et, bien qu’une certaine quantite de vapeur sera encore perdue a l’atmosphere via un event etrangle, la perte sera bien moindre que celle d’un feedtank a event.

Ce n’est pas seulement l’oxygene qui doit etre evacue ; d’autres gaz non condensables seront rejetes en meme temps. Le deaerator evacuera donc d’autres constituants de l’air, principalement l’azote, avec une certaine quantite de vapeur. Il en decoule que le taux de rejet de l’air de l’eau doit etre quelque peu superieur a 2,3 grammes d’oxygene pour 1 000 kg d’eau. En fait, la quantite d’air dans l’eau a 80°C dans des conditions atmospheriques est de 5,9 grammes pour 1 000 kg d’eau. Par consequent, un rejet de 5,9 grammes d’air pour 1 000 kg d’eau est necessaire pour s’assurer que la quantite requise de 2,3 grammes d’oxygene est liberee. Comme cet air se melange avec la vapeur dans l’espace au-dessus de la surface de l’eau, la seule maniere dont il peut etre rejete du deaerator est par la liberation simultanee de vapeur.

La quantite de melange vapeur/air qui doit etre liberee peut etre estimee en considerant les effets de la loi de Dalton des pressions partielles et de la loi de Henry.

Considerons la faisabilite d’installer un deaerator. Avant l’installation, l’installation de boiler est alimentee par de l’eau d’alimentation provenant d’un feedtank a event fonctionnant a 80°C. Cela signifie essentiellement que chaque 1 000 kg d’eau d’alimentation contient 5,9 grammes d’air. Le deaerator propose fonctionnera a une pression de 0,2 bar g, ce qui correspond a une temperature de saturation de 105°C.

Supposons donc que tout l’air sera expulse de l’eau dans le deaerator. Il en decoule que l’event doit rejeter 5,9 grammes d’air par 1 000 kg de capacite d’eau d’alimentation.

Considerons que l’air libere de l’eau se melange avec la vapeur au-dessus de la surface de l’eau. Bien que la pression de fonctionnement du deaerator soit de 0,2 bar g (1,2 bar a), la temperature du melange vapeur/air pourrait n’etre que de 100°C. Par consequent, d’apres la loi de Dalton :-

Si l’espace de vapeur dans le deaerator etait rempli de vapeur pure, la pression de vapeur serait de 1,2 bar a. Comme l’espace de vapeur a une temperature reelle de 100°C, la pression partielle causee par la vapeur n’est que de 1,013 25 bar a.

La pression partielle causee par les gaz non condensables (air) est donc la difference entre ces deux chiffres = 1,2 - 1,013 25 = 0,186 75 bar a. Cependant :

• Parce qu’il n’y a aucun moyen facile de mesurer avec precision la temperature de decharge ;
• Parce qu’il n’y a qu’une faible difference de pression entre le deaerator et la pression atmospherique ;
• Parce que les taux d’evacuation sont si faibles, …un mecanisme d’evacuation automatique est rarement rencontre sur les tuyaux d’event des deaerators, la tache etant generalement accomplie par une vanne a bille, une vanne a pointeau ou une plaque orifice reglee manuellement. Il est egalement important de se rappeler que l’objectif premier du deaerator est d’eliminer les gaz. Il est donc vital qu’une fois separes, ces gaz soient purges aussi rapidement que possible, et avant qu’il n’y ait un risque de re-entrainement. Bien que la theorie suggere que 22,4 grammes de melange vapeur/air par tonne de capacite de deaerator soient necessaires, en pratique il est impossible de surveiller ou de reguler cela avec succes. Par consequent, sur la base de l’experience pratique, les fabricants de deaerators auront tendance a recommander un taux d’evacuation compris entre 0,5 et 2 kg de melange vapeur/air pour 1 000 kg/h de capacite de deaerator par precaution. Il est suggere de prendre l’avis du fabricant du deaerator sur cette question. Une maniere typique de controler le taux d’evacuation est d’utiliser une vanne a bille DN20 pour service vapeur d’une classe de pression appropriee, qui peut etre securisee en position partiellement ouverte.

Parametres de fonctionnement typiques d’un deaerator sous pression Les informations suivantes sont typiques et toute installation reelle peut varier de ce qui suit de plusieurs manieres pour s’adapter aux exigences individuelles de cette installation :

• La pression de fonctionnement sera generalement d’environ 0,2 bar (3 psi), ce qui donne une temperature de saturation de 105°C (221°F).
• Le recipient contiendra entre 10 et 20 minutes de stockage d’eau pour le boiler en pleine charge.
• La pression d’alimentation en eau du deaerator doit etre d’au moins 2 bar pour assurer une bonne distribution au niveau de la buse.
• Cela implique soit une contre-pression sur les purgeurs de vapeur de l’installation, soit la necessite d’un retour de condensat pompe.
• La pression d’alimentation en vapeur de la vanne de controle de pression sera dans la plage de 5 a 10 bar.
• Le rapport de modulation maximum du deaerator sera d’environ 5:1.
• A des debits inferieurs a celui du processus, il peut ne pas y avoir suffisamment de pression pour donner une bonne atomisation avec des distributeurs d’eau de type buse ou spray.
• Cela peut etre resolu en ayant plus d’un dome sur l’unite. La capacite totale des domes serait egale a la puissance du boiler, mais un ou plusieurs des domes peuvent etre arretes en periodes de faible demande.
• Un chauffage peut etre necessaire dans la zone de stockage du recipient pour les conditions de demarrage ; cela peut etre par serpentin ou injection directe.
• Cependant, le type d’installation le plus susceptible d’etre equipe d’un deaerator sous pression sera en fonctionnement continu et l’operateur peut considerer les performances faibles pendant le demarrage a froid occasionnel comme acceptables. La conception du recipient, les materiaux, la fabrication, la construction et la certification seront conformes a une norme reconnue, par exemple : au Royaume-Uni, la norme est PD 5500. Le bilan thermique du deaerator sera generalement (mais pas toujours) calcule sur une augmentation de 20°C de la temperature d’eau entrante. Il est normal que de l’eau a 85°C soit fournie au deaerator. Si la temperature d’eau entrante est significativement superieure a cela, alors la quantite de vapeur necessaire pour atteindre la pression reglee sera moindre. Cela signifie a son tour que la vanne de vapeur se throttlera et le debit de vapeur peut etre trop bas pour assurer une dispersion correcte au niveau de la buse de vapeur. Cela peut suggerer qu’avec un tres haut pourcentage de condensat retourne, une action alternative peut etre necessaire pour qu’une deaeration correcte se produise. Dans ce cas, le bilan thermique du deaerator peut etre calcule en utilisant differents parametres, ou le deaerator peut fonctionner a une pression plus elevee.

Cout et justification

Cout Il n’y a pas de cout energetique supplementaire associe au fonctionnement d’un deaerator, et la quantite maximale de vapeur exportee vers l’installation est la meme avec ou sans le deaerator, car la vapeur utilisee pour elever la temperature d’eau d’alimentation provient de la production plus elevee du boiler. Cependant :

• Il y aura une certaine perte de chaleur du deaerator (Celle-ci sera minimisee par une isolation appropriee).
• Il y a le cout supplementaire de la pompe de transfert entre le feedtank et le deaerator.
• De la vapeur est perdue avec les gaz non condensables evacues. Justification Les raisons principales de la selection d’un deaerator sous pression sont :
• De reduire les niveaux d’oxygene au minimum (< 20 parties par milliard) sans l’utilisation de produits chimiques. Cela eliminerait la corrosion dans le systeme d’alimentation du boiler.
• Une economie peut etre realisee en ce qui concerne les produits chimiques - cet argument devient de plus en plus valable sur les grands boilers a tubes d’eau ou les debits sont eleves et des niveaux de TDS bas (< 1 000 ppm) doivent etre maintenus dans l’eau d’alimentation du boiler.
• Les produits chimiques ajoutes pour controler la teneur en oxygene de l’eau du boiler necessiteront eux-memes un blowdown. Par consequent, en reduisant/eliminant l’ajout de produits chimiques, le taux de blowdown sera reduit avec des economies associees.
• Pour empecher la contamination la ou la vapeur est en contact direct avec le produit, par exemple : denrees alimentaires ou a des fins de sterilisation.

Bilan thermique du deaerator

Pour permettre une conception correcte du systeme et dimensionner la vanne d’alimentation en vapeur, il est important de savoir combien de vapeur est necessaire pour chauffer le deaerator. Cette vapeur est utilisee pour chauffer l’eau d’alimentation depuis la temperature habituelle rencontree avant l’installation du deaerator jusqu’a la temperature necessaire pour reduire l’oxygene dissous au niveau requis. Le debit de vapeur requis est calcule au moyen d’un bilan masse/chaleur. Le bilan masse/chaleur fonctionne sur le principe que la quantite initiale de chaleur dans l’eau d’alimentation, plus la chaleur ajoutee par la masse de vapeur injectee doit egaler la quantite finale de chaleur dans l’eau d’alimentation plus la masse de vapeur qui s’est condensee pendant le processus. L’Equation 2.11.3 est l’equation de bilan masse/chaleur utilisee a cette fin.