CC BY
41
УДК 628.179+628.387
ОЦ1НКА ТА ПРОГНОЗУВАННЯ КОРОЗ1ЙНО-НАКИПНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ
ПРОМИСЛОВИХ I ПРИРОДНИХ ВОД
О.В. Суворш, доцент, к.т.н., В.1. Мохонько, ст. викладач, С.О. Рисухша, студентка, Технолог1чний 1нститут СхщноукраТнського нащонального ун1верситету 1мен1 Володимира Даля, м. Северодонецьк, УкраУна
Анотаця. Проведено оцтку корозтно-накипних властивостей води за допомогою комп 'ютерног програми, яка базуеться на розрахунку тдексу Ланжелье. Визначено залежнос-mi тдексу Ланжелье в1д температури.
Ключов1 слова: стабтьтсть води, корозтно-накипт власmивосmi води, тдекс Ланжелье, температурна залежтсть.
ОЦЕНКА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КОРРОЗИОННО-НАКИПНЫХ СВОЙСТВ ПРОМЫШЛЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ ВОД
О.В. Суворин, доцент, к. т.н., В.И. Мохонько, ст. преподаватель, С.А. Рысухина, студентка, Технологический институт Восточноукраинского национального университета имени Владимира Даля, г. Северодонецк, Украина
Аннотация. Проведена оценка коррозионно-накипных свойств воды с помощью компьютерной программы, которая базируется на расчете индекса Ланжелье. Определены зависимости индекса Ланжелье от температуры.
Ключевые слова: стабильность воды, коррозионно-накипные свойства воды, индекс Ланжелье, температурная зависимость.
ESTIMATION AND FORECASTING OF CORROSION-SCUMLIKE PROPERTIES OF TRADE EFFLUENT AND NATURAL WATERS
A. Suvorin, Associate Professor, Candidate of Technical Sciences, V. Мо^опко, Senior Lecturer, S. Risukhina, Student, Technological Institute, East-Ukrainian National
University, Severodonetsk, Ukraine
Abstract. The estimation of water corrosion-scumlike properties is carried out with the application of the computer program based on Lanzhelye index calculation. Langelye index dependences on temperature are determined.
Key words: water stability, water corrosion-scumlike properties, Lanzhelye index, temperature dependence.
Вступ
Вода з pi3H^ джерел водопостачання е не-однорщною за сво!м складом i, як наслщок, за сво!ми споживчими та експлуатацшними властивостями. Вона може змшювати сво!
властивосп також шд час експлуатаци. На-приклад, внаслщок порушення вуглекислот-но! рiвноваги в нестабшьнш оборотнш водi водооборотних систем у результат на^ву води в теплообмшних апаратах iз подаль-шим И охолоджуванням на градирнях або
1нших спорудах утворюються в1дкладення кристал1чного карбонату кальщю на поверх-нях теплопередач1 й у трубопроводах. Кар-бонатш вщкладення можуть утворюватись також { при безпосередньому контакт тех-нолопчно! води з продуктом або у раз1 прямого контакту охолоджуючо! води з ам1аком, що потрапляе в охолоджуючу воду через можливу нещшьшсть у теплообмшних апара-тах, в апаратах безпосереднього змшування та барометричних конденсаторах на шдприемст-вах азотно! промисловосп [1].
Агресивш води спричиняють не менше ускладнень при експлуатаци водооборотних систем, шж води, яю схильш до утворювання карбонатних вщкладень. При контакт агре-сивних вод з бетоном виникае руйнування останнього внаслщок розчину його карбонатних компонента. У трубопроводах та теплообмшних апаратах таю води викликають розчинення захисно! карбонатно! птвки, а пот1м { короз1ю металу [2].
Процеси розчинення СаСО3 агресивними водами вщбуваються { в карбонатних карсто-вих масивах. Це прискорюе процеси утво-рення нових карстових форм та сприяе утворенню провал1в, внаслщок чого можуть виникати аваршш ситуаци. При цьому шдвищення агресивносп води по вщношен-ню до карбонатних порщ може вщбуватися внаслщок забруднення шдземних вод техно-генними стоками.
Таким чином, визначення стабшьносп як природних, так { промислових розчишв мае велике практичне значення.
Аналiз пубшкацш
Спроби ощнки стабшьносп води за даними Г! х1м1чного складу проводились багатьма вче-ними. Найчаспше використовуються методи ощнки стаб1льносп води за допомогою !ндексу стабшьносп Р1знара, вдексу Паккор1уса для ощнки схильносп води до утворення накипу, шдексу Ларсона-Скольда, який дозволяе хара-ктеризувати корозшну здатшсть води по вщ-ношенню до низьковуглецевих сталей, !ндексу Оддо-Томсона для експрес-оцшки схильнос-т води до розчинення або утворення СаСО3
[3].
Найбшьш вщомим та точним методом оцш-ки корозшно-накипних властивостей води е
метод Ланжелье [2]. Слщ зазначити, що ш-декс Ланжелье служить яюсним показником схильносп води до розчинення або утворення карбонатних вщкладень { не е кшьюсною характеристикою агресивних властивостей води.
Властивосп розчинено! речовини, так само як { властивост розчинника, залежать вщ концентраций що враховуеться актившстю розчинено! речовини. Сшввщношення м1ж актившстю 1 концентращею визначаеться коефщентом активносп. У дуже розбавлених розчинах, тобто в розчинах з дуже малою кшьюстю розчинено! речовини, актившсть дор1внюе концентраци. Коефщ1ент активносп при цьому наближаеться до 1.
Водневий показник розчину (рН), вим1ряний вщповщним електродом, вщображае результат р1вноважних активностей вс1х компонента цього розчину. Х1м1чний анал1з дозволяе визначити концентраци компонента розчину { за цими даними обчислити рН.
Р1зниця м1ж рН, розрахованим за даними х> м1чного анал1зу, \ рН вим1ряним (актившстю компонента розчину) Ланжелье запропону-вав розглядати як ¡ндекс (цифровий показ-ник) властивостей води
РНр
рИш
(1)
Якщо 1Ш < 0, то вода е агресивною щодо карбонатних вщкладень { викликае короз1ю сталь При 1Ьпя > 0 вода схильна до накипоут-ворення. Якщо 1Ьпг = 0, то вода е стабшьною, не викликае ш корози, ш утворення вщкла-день. Практично значення ¡ндексу Ланжелье в межах [-0,3; +0,3] сприймають як «нуль». рНрозрах обчислюють за даними х1м1чного анал1зу за р1внянням
РНрозрах = - К") -
-(1^^) + ^(Снсо3)) - /2) + /),
(2)
де ПР0а00з - добуток розчинносп карбонату кальщю; lg(К"") - негативний логарифм конс-танти дисощаци вугшьно! кислоти на другому ступеш дисощаци, тобто з утворенням юна СО32; ССа, Сн00з - вщповщно концентраци юна кальщю I пдрокарбонат-юна, визна-чеш х1м1чним анал1зом; (^/2)+^/1)) - сума коеф1щента активносп двовалентних { одно-валентних юшв.
Bei величини, що входять у piB^HM (2), мо-жна розрахувати за piB^HMMH, якi отримаш Ланжелье апроксимащею вiдповiдних експе-риментальних даних
ЛРСаСОз = 2,684.10"
• t•exp(-0,05064 • t). (3)
PiB^HM (3) дае значення добутку розчинно-CTi карбонату кальцiю у водi (мг-екв/л) в дiа-пазонi температур вщ 20 до 200 °С i3 серед-ньоквадратичним вiдхиленням ± 9,6-Ю"4.
Апроксимацiя лiтературних даних про зале-жнiсть негативного логарифму константи дисощацл вугшьно! кислоти 2-го ступеня вiд температури приводить до наступного рiв-няння, справедливого в дiапазонi температур вiд 0 до 80 °С
pK" =
1
0,0962 +1 • (6,01 • 10 5 • exp(-2,778 /1)
(4)
Константу 2-го ступеня дисощацл вугшьно! кислоти обчислюють за рiвнянням
" _ 1 0-{1/(0.0962+t.(0,0000601.exp(-2,778/1))}
K" _ 10
. (5)
Як вщомо, коефiцiент активностi вiдображае ступiнь вщхилення активностi iона (речови-ни) вщ його концентрацл, що визначаеться хiмiчним аналiзом. Чим бiльше iон пов'я-заний молекулами розчинника (структуруе розчин), тим нижче значення коефiцiента активность Як наслщок, коефiцiент активно-ст залежить вiд заряду Zi i концентрацл iонiв Ci, що знаходяться в розчиш, тобто вiд юнно! сили I розчину.
Апроксимацiя експериментальних даних встановлюе наступний зв'язок коефщента активностi з iонною силою
- для одновалентних iонiв
f1 _ 1/(1,033 + 6,152 • I1); (6)
- для двовалентних юшв
f1 _ 1/(1,151 +17,108 • I2). (7)
Значення коефщент1в активностi одно- i двовалентних юшв та юнно! сили розчину визна-чаються тiльки 1'х зарядом i концентрацiею. Це
дозволяе спростити методику розрахунку ILng. Для цього можна замiнити розрахунок юнно! сили i коефiцiентiв активностi iонiв рiзного заряду вимiрюванням маси сухого залишку розчину. В цьому випадку не потрiбне проведення повного юльюсного хiмiчного аналiзу проби. Бшьше того, масу розчинених в одинищ об'ему речовин легко i швидко можна встановити за електропровiднiстю розчину.
Враховуючи вищезазначене, ILng можна розрахувати за формулою
Ilng _ (-8,19 + 0,088 • Alk - 4,69-10-8 • SR2) + +0,018 • Ca2 + / pH + (8)
+(1,15 - 0,138/Ca2 +-1,18/1) • pH,
де t - температура розчину, ° С; Alk - загаль-на лужшсть, мг-екв/л; Са2+ - кальщева жорс-ткiсть, мг-екв/л; рН - значення водородного показника, вимiряне за допомогою рН-метру; SR - сухий залишок, мг/л.
Середньоквадратичне вщхилення розрахун-кового значення iндексу Ланжелье за модел-лю (8) становить близько ±0,04 [3].
Мета та постановка завдань
Метою роботи було визначення стабшьност води рiзного хiмiчного складу за допомогою шдексу Ланжелье та прогнозування ll' коро-зшно-накипних властивостей залежно вiд температури.
Порiвняння результа^в експериментального дослiдження та комп'ютерного моделювання процеав
Для оцiнки стабiльностi води було створено комп'ютерну програму, яка базуеться на рiв-няннi (8). Для перевiрки програми були вщ-бранi та проаналiзованi проби води з мереж питного водопостачання м. Северодонецька (проба 1) та з водооборотних систем хiмiчних тдприемств (проби 2^5). Аналiз складу води здшснювався за стандартними методиками (табл. 1).
Обчислювання iндексу Ланжелье проводилось для штервалу температур 10^100 °С з шагом 10 °С. Рiвняння, яю описують залежнiсть ксу Ланжелье вщ температури для вод рiзного складу, представлен в табл. 2.
Таблиця 1 Результати анал1зу проб води
Таблиця 2 Р1вняння залежносп шдексу Ланжелье в!д температури
Графши залежносп шдексу Ланжелье вщ температури наведет на рис. 1.
Температура, оС
—♦—Проба 1 —в— Проба 2 —Проба 3 т Проба 4 х Проба 5|
Рис. 1. Залежност шдексу Ланжелье вщ температури
За допомогою коефщента кореляци були визначеш функцюнальш залежност накип-но-корозшних властивостей води вщ лужно-сп (г = 0,84), мшерал1заци (г = 0,79) 1 концен-траци юшв кальщю (г =0,85).
Отримаш значення коефщента кореляци вка-зують на наявшсть сильного прямого зв'язку
м1ж означеними показниками { значенням ш-дексу Ланжелье.
Висновки
Анал1зуючи отримаш даш, можна стверджу-вати, що юнуе ч1тка залежшсть накипно-корозшних властивостей води вщ температури та !! х1м1чного складу.
Кр1м того, визначено, що вода, яка здатна ви-кликати розчинення карбонатних вщкладень та корозда конструкщйних матер1ал1в, з шдви-щенням температури втрачае сво! агресивш властивосп, а вода, що схильна до утворення вщкладень, навпаки, з шдвищенням температури стае бшьш агресивною.
Розроблена програма дозволяе з великим сту-пенем 1мов1рносп ощнити схильшсть води до утворення або розчинення карбонатних вщкладень, що дозволяе використовувати !! для прогнозування корозшно-накипних власти-востей води водооборотних систем та для оцшки агресивних властивостей природних вод по вщношенню до карбонатних порщ з метою прогнозування розвитку карстових процеав.
Лiтература
1. Шабалин А. Ф. Оборотное водоснабже-
ние промышленных предприятий / А. Ф. Шабалин. - М. : Стройиздат, 1972. - 296 с.
2. Кучеренко Д. И. Оборотное водоснабже-
ние : (Системы водного водоснабжения) / Д. И. Кучеренко, В. А. Гладков. - М. : Стройиздат, 1980. - 168 с.
3. Рябин В. А. Термодинамические свойства
веществ : Справочник / В. А. Рябин, М. А. Остроумов, Т. Ф. Свит. - М. : Стройиздат. - 168 с.
Рецензент: В. А. Юрченко, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надшшла до редакцп 13 листопада 2009 р.
Показники
№ проби Лужнють загальна, мг-екв/л Са2+, мг-екв/л рН Сухий залишок, мг/л
1 3,7 7,1 7,2 366,75
2 2,4 6,5 7,3 332,25
3 1,7 4,5 6,7 215,75
4 2,3 2,7 6,1 142,25
5 5,8 6,4 8 305,75
Проба води Р1вняння залежносп 1ндексу Ланжелье в1д температури Достов1ршсть апроксимаци
1 /1ч?=0,2013-Ьп/-0,597 Я2 = 0,9474
2 /1ч?=0,203-Ьп/-0,675 Я2 = 0,9475
3 /1п?=0,1873-Ьп/-1,3789 Я2 = 0,9474
4 /1ч?=0,1711-Ьп/-2,0472 Я2 = 0,9474
5 /ч=0,2237-Ьп/-0,3453 Я2 = 0,9474
