Teoría de la desaireación

El equilibrio entre el gas disuelto en agua y el gas en vapor está dado por la ley de Raoult. Esta ley establece que la relación entre la presión parcial del gas en el vapor y el producto del coeficiente de actividad y la concentración del gas en el agua a una temperatura dada es constante, si el gas en el vapor cumple la condición P.V/T = constante, entonces:

Pg = h · a · Cg         (1)

Dónde:
Pg = la presión parcial del gas en el vapor
h = coeficiente de distribución
a = el coeficiente de actividad
Cg = la concentración del gas en el agua

A bajas presiones parciales, el oxígeno y el dióxido de carbono en el vapor se comportan de acuerdo con la relación P.V/T = constante.

El coeficiente de actividad es una medida de la desviación del comportamiento ideal del gas disuelto en agua o, en otras palabras, una medida de la interacción entre el gas disuelto y el agua. Para el oxígeno el coeficiente de actividad es 1.0, si la concentración es menor que 50 ppm. El del dióxido de carbono depende en gran medida de la cantidad disuelta de dióxido de carbono y de la composición química del agua.

La relación constante h está determinada por el tipo de gas y la temperatura. La Tabla 1 muestra los valores de h para oxígeno y dióxido de carbono.

Tabla 1. Coeficiente de distribución h de oxígeno y dióxido de carbono para agua a diferentes temperaturas en bara/ppm.

El principio en el que se basa el proceso de desaireación física es la tendencia a restaurar el equilibrio tal como se define en la ley mencionada anteriormente después de que ese equilibrio haya sido previamente perturbado. Las perturbaciones del equilibrio que provocan la desaireación del agua son la disminución de la presión parcial del gas en el vapor y el aumento de la temperatura del agua. A temperaturas del agua por debajo del punto de ebullición, la disminución de la presión parcial del gas se produce mediante la eliminación del gas del vapor. Al aumentar la temperatura, la solubilidad del gas en el vapor disminuye a una presión parcial constante. Si la temperatura del agua se eleva al punto de ebullición a la presión predominante en el desaireador, la presión total es igual a la presión de vapor de agua, lo que implica que la presión parcial del gas es cero. La temperatura del agua aumenta como resultado de la condensación del vapor.

La disminución de la presión parcial del gas y/o el aumento de la temperatura no son los únicos factores de importancia en el proceso de desaireación, ya que la velocidad de transporte del gas también juega un papel. Esta velocidad está determinada por:

1. la difusión del gas en el agua
2. el flujo del agua y del vapor
3. la relación entre el área de la superficie de contacto agua-vapor y el volumen de agua.

Cuando el agua se desairea, la concentración de las moléculas de gas en el agua es menor en la superficie de contacto que en otras partes del agua. En el vapor, esto es exactamente al revés una ronda. Debido a las diferencias en la concentración y el movimiento térmico de las moléculas de gas, el transporte de moléculas de gas tiene lugar hacia la superficie de contacto en el agua y lejos de la superficie de contacto en el vapor. En la superficie de contacto se aplica invariablemente la ley de Raoult. Quedará claro que la tasa de desaireación está determinada por la fase en la que el transporte de las moléculas de gas es más lento. Como la relación entre el coeficiente de difusión, (una medida para el movimiento térmico), del gas en el agua y el del gas en el vapor es de aproximadamente 10-4, la tasa de desaireación está totalmente determinada por el transporte de las moléculas de gas en el agua.

Fig. 2 Visualización esquemática de la concentración de gas en el área de contacto vapor/agua con convección y difusión.

El flujo de agua y vapor aumenta la tasa de desaireación. En la capa interfacial a ambos lados de la superficie de contacto agua-vapor no puede ocurrir un flujo en una dirección perpendiular a la superficie de contacto. El transporte de gas allí todavía es exclusivamente posible debido a la difusión. En lugares más alejados de la superficie de contacto, el flujo iguala la concentración del gas, véase la figura 2. Por lo tanto, el transporte de gas en los dos medios está controlado por una estrecha zona de difusión a lo largo de la superficie de contacto. Debido a la gran diferencia entre el coeficiente de difusión del gas en el agua y el del gas en el vapor, la tasa de desaireación estará determinada por la zona de difusión en el lado del agua de la superficie de contacto. El transporte de gas en esta zona de difusión es máximo a la presión parcial más baja posible en el vapor. Esta condición se cumple cuando el gas se expulsa rápidamente del desaireador por el flujo en el vapor.

Relación entre el contacto agua superficial-vapor y el volumen de agua

Para garantizar una desaireación eficiente es necesario hacer que la ruta de transporte que tienen las moléculas de gas para recorrer por difusión sea lo más corta posible. Esto se puede lograr mediante la formación del agua en gotas muy pequeñas antes de que el vapor pase a través del agua.

El tiempo de residencia del agua en el compartimento de vapor del pulverizador es demasiado corto en algunos casos para garantizar una desaireación óptima y, por esta razón, se prevé la post desaireación, que tiene lugar en el depósito de agua. El gas que ha quedado atrás es expulsado conduciendo vapor a través del agua por medio de un rastrillo de vapor.

A medida que el vapor burbujea a través del agua, hay una tendencia de acuerdo con la ley de Raoult a que se establezca un equilibrio entre el gas en las burbujas de vapor y el gas disuelto en su vecindad inmediata. Se requiere un tiempo de contacto adecuado para alcanzar este equilibrio. Este es el caso cuando las condiciones del proceso están tan dispuestas que las burbujas de vapor son pequeñas y la distancia que tienen que recorrer es grande. Un rastrillo de vapor es el mejor medio para lograr esto.

Una segunda función de las burbujas de vapor es iniciar y mantener la circulación en el depósito de agua, por lo que la ruta de difusión del gas se acorta considerablemente. En comparación con cualquier otro método de suministro de vapor, la construcción del rastrillo de vapor tiene la ventaja de que la circulación en el depósito es más intensiva.

Con un pH inferior a 4, el coeficiente de actividad del dióxido de carbono total disuelto en agua se establece en 1,0; con valores de pH más altos, el coeficiente es menor. Debido a la interacción con el agua, el dióxido de carbono disuelto se manifiesta no solo como CO2, sino también en forma de H2CO3 y los iones HCO3 y CO3 2-. Las fórmulas de equilibrio son:

CO2 + H2O ↔ H2CO3                 (6)
H2CO3 ↔ H+ + HCOˉ3               (7)
HCOˉ3 ↔ H+ + CO32-                 (8)

Como la cantidad de H2CO3, en comparación con la de los iones, es insignificantemente pequeña, los equilibrios (6) y (7) se pueden combinar de la siguiente manera:

CO2 + H2O ↔ H+ + HCOˉ3       (9)

Con la ayuda de las constantes de equilibrio es posible calcular las proporciones, a una temperatura dada, de las cantidades de CO2, HCOˉ3 y CO32- con respecto a la cantidad total disuelta de dióxido de carbono. En la figura 9 estas relaciones a 25oC se representan gráficamente en función del valor del ácido.

Este gráfico se elaboró partiendo del supuesto de que no se disolvieran en el agua otras sustancias distintas del CO2 . A temperaturas superiores a 25ºC, las curvas de la figura 4 se desplazan un poco hacia la izquierda.

Figura 4. Relación entre la relación molar y el pH.

Figura 5. Relación entre la presión parcial de dióxido de carbono y oxígeno en el vapor y la cantidad de dióxido de carbono disuelto y oxígeno en el agua.

Durante el proceso de desaireación, el dióxido de carbono disuelto se elimina del agua en forma de CO2. El ion HCOˉ3 participa indirectamente en la formación del proceso de CO2, porque cuando el contenido de CO2 disminuye se convierte en CO2 según la ecuación (9). Si el CO32 está presente (pH > 8.3 a 25oC), es técnicamente absolutamente imposible, debido a la ausencia de CO2 , expulsar el dióxido de carbono disuelto en el agua al reducir parcialmente la presión de dióxido de carbono en el vapor. El pH del agua pura que contiene dióxido de carbono disuelto se encuentra entre 4 y 7, dependiendo de la cantidad de dióxido de carbono. Para un contenido total de dióxido de carbono superior a 1 ppm a 25ºC se aplica la siguiente fórmula de aproximación:

pH = 5.5 – 1/2 log Ctot. CO2

Ctot. CO2 = la concentración total de dióxido de carbono en ppm. Entre 0,01 y 1 ppm de dióxido de carbono total, el pH calculado según la fórmula de aproximación es 0,2 superior al pH real.

En el agua pura, el dióxido de carbono solo se disuelve en forma de iones CO2 y HCOˉ3 . Según la figura 4, el dióxido de carbono está presente principalmente como CO2 a pH = 4 y como HCOˉ3 a pH = 7. Esto implica que cuanto menos dióxido de carbono se disuelve en el agua, mayor es el contenido de HCOˉ3 con respecto al de CO2. La Figura 5, que representa la relación entre la presión parcial de dióxido de carbono en el vapor y la cantidad total disuelta de dióxido de carbono a 20oC, ilustra cuán grande es la desviación de la ecuación Pco2-gas = h.C tot. El CO2 es con pequeñas cantidades de dióxido de carbono. La desviación se puede calcular con la ayuda del coeficiente de actividad del dióxido de carbono disuelto total, que se ha hecho igual aquí a CO2 / tot. CO2.

En aras de la comparación, la figura 5 también muestra la relación entre la solubilidad y la presión parcial de gas para el oxígeno. Esto ilustra cuánto más difícil es eliminar el dióxido de carbono del agua que el oxígeno. Para poder reducir el contenido de oxígeno en el agua a 20 °C a 0.005 ppm es esencial una presión parcial de oxígeno de 1.13 x 10-4 bara. A la misma presión de dióxido de carbono, solo es posible reducir el contenido de dióxido de carbono en el agua a 0.280 ppm. Si mediante la adición de ácido se tiene cuidado de mantener el pH por debajo de 4, se puede alcanzar un contenido de 0,195 ppm. El dióxido de carbono se disuelve principalmente como CO2.

La reducción del contenido total de dióxido de carbono a valores muy bajos no se puede lograr con un desaireador. Para alcanzar presiones en el vapor son esenciales y estas son difíciles o imposibles de realizar. Debido a la falta de datos, es imposible dar un diagrama como se muestra en la figura 10 también a 100 ° C. Sin embargo, sobre la base de los datos mencionados en el presente artículo, se puede predecir que la eliminación de dióxido de carbono será más fácil a temperaturas superiores a 20 ° C.