Physikalische Grundlagen

Für die Entgasung von Flüssigkeiten sind unterschiedliche technische Ausführungen für die Entgaser entwickelt worden. Voraussetzung für eine physikalische Entgasung ist eine Störung des Gleichgewichtes für die gelösten Gase. Dies wird beispielsweise bei Wasser erreicht, indem die Gasphase im Entgaser weniger von dem zu entfernenden Gas enthält als dies dem Gleichgewicht zwischen Wasser und Gas entspricht. Gase wie Sauerstoff (O₂) und Stickstoff (N₂) sind leichter zu entgasen als beispielsweise Gase wie Kohlenstoffdioxid (CO₂), das mit dem Wasser und den gelösten Inhaltsstoffen in einer chemisch-physikalischen Beziehung steht (Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht).

Physikalische Grundlagen der Entgasung sind:

• Diffusion der Gase an den Phasengrenzen Wasser / Dampf
• Gasblasenbildung mit konvektiven Stoffübergang

Für eine Entgasung werden folgende technische Abläufe eingesetzt:

• Durchleitung von Dampfblasen durch die zu entgasende Flüssigkeit, beispielsweise durch Energiezufuhr (in der Umgangssprache: kochen)
• Tropfenbildung zur Vergrößerung der Wasseroberfläche beispielsweise durch Verdüsung oder Zerstäubung
• Verringerung der Schichtdicke des Wassers durch Überleitung über Einbauten oder Füllkörper

Füllkörperentgaser

Nachfolgend wird nur auf Entgaser mit Füllkörpern näher eingegangen. In der Praxis werden derartige Entgaser neben den Füllkörpern auch mit Düsen oder Lochplatten für die Wasserverteilung und einer Nachkochvorrichtung ausgerüstet. Beides – Wasserverteilung und Nachkochen – verbessern die Entgasungswirkung. Dies wird aber bei der Berechnung der Füllkörperentgasung normalerweise nicht berücksichtigt. Hierdurch wird ein zusätzlicher Sicherheitszuschlag erreicht.

Folgende Parameter sind für die Auslegung eines Niederdruck-Entgasers zu beachten, der mit Füllkörper ausgerüstet und mit Sattdampf betrieben wird:

• die notwendige Höhe der Füllkörperschüttung = H in (m)

• die zulässige Flächenbelastung = ${\displaystyle \mathrm {\frac {G}{\phi }} }$ in (kg/m²·h)

${\displaystyle \phi }$ = dimensionloser Korrekturfaktor mit dem die von Druck und Temperatur abhängige Dichte des Dampfes im Entgaser berücksichtigt wird

• die zu entgasende Wassermenge = G in (kg/m²·h)

• die erforderliche Gesamtdampfmenge = D in (kg/m²·h)

• das Verhältnis von zu entgasendem Wasser und erforderlichem Sattdampf = ${\displaystyle \mathrm {\frac {D}{G}} }$ in (kg/kcal·kg⁻¹)

• die erforderlichen Übertragungseinheiten = H.T.U. (Height of Transfer Units) in (m).

H.T.U kann auch über 2.3 · H.T.U. · ${\displaystyle \log \beta \cdot \delta }$ zu H.E.T.P. (Height Equivalent to one Theoretical Plate) umgeformt werden. Die Berechnung der Füllkörperschicht ist mit diesem Wert dann direkt möglich.

• Verhältnis der gelösten Gase vor und nach Entgaser = ${\displaystyle {\frac {C1}{C2}}}$ in (mg/mg)
• notwendige Abschwademenge = ${\displaystyle \beta }$ in (%)

Füllkörper:

dies sind speziell geformte Materialien wie beispielsweise Raschig-Ringe oder Berl-Sättel, die die mit Wasser benetzte Oberfläche stark vergrößern. An der Grenzschicht der Flüssigkeit auf der Oberfläche der Füllkörper und der Dampfphase erfolgt der Gasaustausch.

Die Austauschoberfläche der Füllkörper wird mit (a) in m²/m³ erfasst. Die Werte sind stark abhängig von Form und Abmessung des Füllkörpers. Zum Beispiel haben Raschig-Ringe 1/2 Zoll den Wert a von 374 m²/m³ und für 1 Zoll von 190 m²/m³. Die Werte werden in Tabellen der Herstellerfirmen angeführt.

Die Höhe der Füllkörperschüttung ist abhängig von der Art der Füllkörper (Wert a), dem Verhältnis der Gase vor und nach Entgaser (Wert C1/C2), der Abschwadmenge (%-Wert) und der Temperatur des zu entgasenden Wassers bei Eintritt in den Entgaser und der Entgasungstemperatur (Werte in °C). Je größer diese Temperaturdifferenz, je größer ist die erforderliche Dampfmenge. Übliche Höhen der Schüttung sind 0,8 – 3,0 m.

Flächenbelastung:

Im Entgaser strömt der Dampf von unten nach oben und das zu entgasende Wasser im Gegenstrom von oben nach unten durch die Füllkörperschicht. Bei zu hoher Flächenbelastung wird der Durchfluss von Dampf und Wasser behindert. Es kommt zum Überflutungspunkt, da Dampf und Wasser nicht mehr ungestört im Gegenstrom die Füllkörperschicht durchströmen können. Dieser Überflutungspunkt ist unbedingt zu vermeiden. Entsprechend darf nur eine zulässige Flächenbelastung gewählt werden bei der dies nicht auftreten kann. Mit steigendem Dampfbedarf verringert sich die zulässige Flächenbelastung. Bei der Berechnung wird ein Korrekturfaktor (${\displaystyle \phi }$) verwendet, der den Einfluss der Temperatur der Entgasung für den Überflutungspunkt korrigiert. Übliche Flächenbelastungen sind 30 – 60 t/m²·h.

Gasverhältnis:

Gehalt an Sauerstoff im Wasser vor und nach Entgaser. Bei 10 mg/l (= C1) und 0,010 mg/l (= C2) ergibt sich 10 mg/l / 0,01 mg/l = 1·10³

Abschwademenge:

Dies ist die austretende Abdampfmenge, die auch als Fegedampf bezeichnet wird und die die gesamten ausgetriebenen Gase enthält. Üblich sind Mengen von um etwa 1 % (= ${\displaystyle \beta }$).