CC BY
35
УДК 628.162.1
doi: 10.55287/22275398_2022_1_54
ЗАВИСИМОСТЬ ИНКРУСТАЦИИ В СБРОСНЫХ ВОДАХ ОТ КОМПЛЕКСОНОВ
В. Б. Викулина
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва
Ключевые слова
стабилизация, комплектны, минерализация, загрузка, фильтрация, бальнеотехно-логические системы, солевые отложения
Аннотация
Сбросные воды бальнеотехнологических комплексов обладают свойствами нестабильности. Для консервации процесса осадкообразования (инкрустации) целесообразно добавление стабилизирующих веществ.
В работе приводится понятие стабилизации охлаждающей и оборотной воды теплоэнергетических предприятий. На внутренней поверхности трубопроводов образуются солевые отложения, и вводится термин — инкрустация.
Радикальным способом стабилизации воды при её транспортировании является использование комплексонов. Сформулированы актуальность, цель и задачи работы. Выбраны для экспериментальных исследований комплексоны ОЭДФ, ДПФ и дифалон. Разработана методика оценки определения стабильности воды. Оценка стабильности сбросных минеральных вод осуществлялась по концентрации Ca2+ в фильтрате, г/л. Предложено математическое описание процесса инкрустации.
Выполненные экспериментальные исследования, позволили обосновать выводы по данной работе и сформулировать заключение о влияние доз комплексонов на процесс выпадения в осадок солей, присутствующих в исходной воде.
Дата поступления в редакцию
09.04.22
Дата принятия к печати
14.04.22
В работах [1, 2, 3, 4, 5, 6] рассмотрены способы стабилизации охлаждающей и оборотной воды теплоэнергетических предприятий.
В результате физико-химических процессов в водной среде на внутренней поверхности трубопроводов образуются солевые отложения — инкрустация. Это приводит к блокированию транспортирующей способности трубопроводов. Существенным компонентом является химический состав исходной воды, влияющий на процесс инкрустации во времени [7, 8, 9, 10].
Применяемые методы водоподготовки не в состоянии полностью решить эту задачу [11].
Пресыщенность оборотной воды карбонатом кальция позволяет провести аналогию с составом сбросных минерализованных вод бальнеотехнологических систем.
Стабилизация оборотной воды промышленных предприятий, сбросных минерализованных вод бальнеотехнологических систем методами подщелачивание, подкисление, фосфотирование, частичное умягчение остаётся недостижимой.
Радикальным способом стабилизации воды при её транспортировании является использование комплексонов. Их использование в стабилизации сбросных минерализованных вод бальнео-технологических систем относится к актуальной задаче.
Изучение изменения потерь напора при фильтрации дестабилизированной воды с оптимальными дозами комплексонов ОЭДФ, ДПФ и дифалона и без них и определение степени снижения процесса инкрустации, а также получение экспериментальных данных при фильтровании воды с комплексонами ОЭДФ, ДПФ и дифалона и без них—основная задача работы.
Оценка стабильности сбросных минеральных вод осуществлялась по концентрации Са2+ в фильтрате, г/л.
Стабильность исходной воды играет главную роль при проектировании водного хозяйства промышленных предприятий, охлаждающей системы оборотной воды, сбросной воды бальнео-технологических систем.
Стабилизационную обработку воды относят к радикальным способам защиты внутренней поверхности трубопроводов, для снижения процесса инкрустации и уменьшение коэффициента скорости роста шероховатости, обозначаемого а, мм/год.
Применение оксиэтилендифосфоновой кислоты (ОЭДФ) для стабилизации оборотных вод способствует снижению выпадения карбоната кальция (СаС03) на внутренней поверхности трубопроводов.
Известно, что ОЭДФ не подвергается гидролизу, следовательно, не происходит образование нерастворимого осадка ортофосфатов кальция и магния.
На величину дозы ОЭДФ влияет значение исходной карбонатной жесткости обрабатываемой воды.
В исходной воде бальнеотехнологических систем наблюдается пересыщение воды по карбонату кальция.
Присутствие ОЭДФ способствует образованию комплекса с ионами кальция (константа устойчивости Куст = 10 - 15,99).
Для процесса инкрустации необходимы наличия активных центров кристаллизации. ОЭДФ блокирует активные центры кристаллизации по поверхности структуры и происходит поддержание раствора в пересыщенном состоянии без выпадения кальциевых отложений.
Таким образом, рассматривались три комплексона:
• ОЭДФ;
• ДПФ;
• Дифалон.
В табл. 1 приведены характерные показатели качества минерализованной воды, которая имела температуру 60 °С.
Эксплуатация подобных минеральных вод, и их транспортировка переходит в категорию сбросных минеральных вод. При этом происходит процесс инкрустации и изменение пропускной способности трубопровода.
Оценка стабильности вводы выявляется путём сравнения концентрации Са2+ в исходной воде и в фильтрате. Проводились эксперименты по стабилизации бальнеотехнологических вод на лабораторной установке, схема которой показана на рис. 1.
03
г
м О
-I
м
Э СО
х га
0 и
X
1
и О
а
*о и
и
га н
и >
а
X 5 5 л
И
ей и
. 5
■ п (0
■ га са го
Таблица 1
Показатели качества минеральной воды
№ t, °С рн Минерализа- Сухой оста- Раство- ^ г/л Содержание ионов, в мг-экв/л
п.п. ция, г/л ток, г/л рённая СО2, г/л Ca2+ Mg2+ Na+ K+ Cl- SO42- HCO3-
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
1 60,5 6,60 3,530 2,901 0,709 0,692 30,10 0,278 13,87 0,048 3,95 0,0055 0,197 1,304 21,37 0,85 18,22 0,299 8,43
2 60,5 6,50 3,520 2,908 0,695 0,710 30,91 0,272 13,57 0,046 3,78 0,0050 0,179 1,302 21,34 0,861 17,93 0,318 8,97
3 60,5 6,60 3,510 2,890 0,707 0,725 31,54 0,276 13,77 0,044 3,62 0,0055 0,197 1,317 21,58 0,890 18,53 0,318 8,97
Рис. 1. Лабораторная установка по стабилизации бальнеотехнологических вод: 1 — подача воды; 2 — поток дегазации; 3 — устройство для сбора воды; 4 — подача комплексонов; 5 — пробоотборник перед фильтрацией; 6 — фильтр (с мраморной загрузкой); 7 — пробоотборник после фильтрации; I — дегазации исходной воды; II — создание водяной подушки; III — фильтрация
Первая часть экспериментальной установки (I) предназначена для дегазации исходной воды разбрызгиванием и охлаждением до температуры 37 °С. При этом происходит дестабилизация минеральной воды.
Вторая часть экспериментальной установки (II) предназначена для создания водяной подушки и поддержания скорости фильтрования.
Третья часть экспериментальной установки (III) предназначена для фильтрации через мраморную крошку.
Установка состоит из прозрачной колонки диаметром 25 мм, заполненной дробленой мраморной крошкой крупностью 0,3 - 0,5 мм.
Высота слоя загрузки 40 см. Исследования процесса стабилизации осуществлялись на исходной воде, химический состав которой приведен в табл. 1.
Экспериментальные исследования проходили в три стадии:
а) первая стадия состояла в дестабилизации и охлаждении исследуемой воды;
б) вторая стадия состояла в подаче доз комплексонов ОЭДФ, ДПФ, дифалона;
в) третья стадия заключалась в фильтрации дегазированной воды с добавленными комплек-сонами и определении продолжительности фильтроцикла.
Оценка стабильности сбросных минеральных вод осуществлялась по концентрации Са2+ в фильтрате, г/л.
На первой стадии, дестабилизация воды происходила путём дегазации (удаления углекислого газа распылением исходной воды). При этом, образуется избыток карбоната кальция, величина которого зависит от кинетики процесса образования карбоната кальция СаС03.
Анализ кинетики процесса определялся по концентрации Са2+ в фильтрате, г/л.
На второй стадии эксперимента дестабилизированная вода помещалась в три мерные колбы, добавлялись 0,1%-го раствора комплексона ОЭДФ дозой 4 мг/л — первая колба, ДПФ дозой ^ 12 мг/л — вторая колба, дифалона дозой 11 мг/л — третья колба. —I
В течении 30 секунд выполнялось перемешивание растворов.
На третьей стадии происходила фильтрация через мраморную крошку со скоростью 1 м/ч.
Затем продолжение эксперимента осуществлялось в динамических условиях.
Для этой цели происходила непрерывная подача комплексонов в нижнюю часть воронки экспериментальной установки рис. 1, точка 4.
После фильтрации производилось измерение скорости фильтрования и определение концентрации кальция из точки 7 рис. 1.
В табл. 2 показано влияние комплексонов на концентрацию Са2+ в фильтрате с продолжительностью фильтрования 168 часов.
Результаты экспериментов помещены в табл. 2.
03
СО
Таблица 2
Влияние комплексонов на концентрацию Са2
Концентрация Са2+, г/л
Наиме- Продолжительность фильтрования, ч
№ п.п нование комплек-сона Доза мг/л 0 21 42 63 84 105 126 147 168
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Без ком-
1 плексо-нов 0 30,85 29,95 29,946 29,94 29,943 29,946 29,94 29,94 29,94
2 ОЭДФ 4,0 30,89 9*10-3 9*10-3 9*10-3 9*10-3 9*10-3 0,008 0,008 0,008
3 ДПФ 12,0 30,85 0,011 0,011 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01
4 Дифалон 11,0 30,85 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011
X га
0 и
X
1
и О
а
*о и
и
га н
и >
а
X 5 5 л
И
са и
. 5
■ п (0
■ га са го
Дозирование комплексонов в минерализованные сбросные воды влияют на процесс инкрустации, оценка которого осуществлялась по концентрации Са2+.
По полученным значениям построены экспериментальные кривые, изображённые на рис. 2. В ходе эксперимента было изучено изменение потерь напора при фильтрации дестабилизированной воды с оптимальными дозами комплексонов ОЭДФ, ДПФ и дифалона и без них.
Рис. 2. Экспериментальные кривые извлечения Са2+ из сбросных минерализованных вод
Продолжительность эксперимента с каждым комплексоном составляла 168 часов (7 суток).
Результаты экспериментальных исследований показаны в табл. 3.
Данные табл. 3 показывают, что прирост потерь напора при продолжительности фильтрации 168 часов с использованием комплексонов с лозой реагентов 4,0, 12,0, 11,0 соответственно ОЭДФ, ДПФ, дифалона составляет 0,010 м, а без использования комплексонов — 0,047 м, т.е. в 4,7 раза больше.
Из экспериментальных данных табл. 3 видно, что исследования в динамических условиях прироста потерь напора демонстрируют задержание СаС03.
В результате процесса инкрустации на стенках трубопроводов выпадает карбонат кальция СаС03.
Молекулярная масса СаС03 составляет 100. Атомная масса Са2+ — 40,08.
Пользуясь предложенной методикой оценки стабильности воды по Са2+, определяем снижение образования осадка в виде СаС03 согласно эксперименту (табл. 3).
Таблица 3
Результаты экспериментов по стабилизации воды комплексонами в динамическом режиме
Название Доза ре- Расход воды, в л/с Скорость Потери напора, м Прирост
№ п.п. используемого комплек-сона агентов, в мг/л течения воды, в м/с Начальные Через 48 час. Через 96 час. Через 144 час. Через 168 час. потерь напора, в м.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
1 ОЭДФ 4,0 0,038 0,74 0,290 0,292 0,295 0,298 0,301 0,011
2 ДПФ 12,0 0,037 0,72 0,301 0,303 0,306 0,309 0,311 0,010
3 Дифалон 11,0 0,037 0,72 0,310 0,312 0,314 0,317 0,320 0,010
4 Без ком-плексонов - 0,037 0,74 0,320 0,345 0,367 - - 0,047
Из табл. 3 принимаем следующие обозначения:
• потери напора с ОЭДФ —
• потери напора с ДПФ — Н2;
• потери напора с дифалоном — Н3;
• потери напора без комплексонов — к0. Составляем уравнение процесса:
h
n = a-
h
cp
где n — степень снижения процесса инкрустации; a — отношение молекулярной массы Mr CaCO3 к атомной массе Ar Ca2+, hcp — среднее значение потерь напора с комплексонами.
a ■
A
h h2+ h,
CP 3
Вычисляем a:
M 100
a:
Ar 40,08
2,49.
U
Z м
О
-I
м
D
CO
Вычисляем hcp:
. h2+ h 0,011 + 0,010 + 0,010 rtmrt_ —-2-3 =-= 0,0103.
3
3
Вычисляем п:
п = а— = 2,49-0^47 = 11,362. К 0,0103
га
о и
Расчеты показали, что скорость образования осадка (инкрустация) с использованием комплексо- х
нов снижается в 11 раз.
и О
а
*о и
Выводы о
1. Анализ литературных источников показал возможность применение комплексонов для ста- 5 билизации сбросных минерализованных вод. я
2. Экспериментально доказана адекватность выбранной модели. >
3. В качестве загрузки использовалась мраморная крошка. ^ *
4. Оценка стабильности воды производилась по концентрации Са2+. ^Е ^
5. На основании экспериментов выбран комплексон ОЭДФ дозой 4 мг/л. ^ и
2 О
6. Скорость образования осадка (инкрустация) с использованием комплексонов снижается в 11 раз. * 2
ей и
. 5
■ п (0 ■ ГО СО ГО
Заключение
1. Основной проблемой транспортирования сбросных минерализованных вод бальнеотехно-логических систем является зарастание внутренних поверхностей трубопроводов — процесс инкрустации.
2. Наряду с существующими методами стабилизации исходной воды, а именно, подщелачивание, подкисление, фосфотирование, частичное умягчение, представляет интерес применение комплексонов.
3. Применение комплексонов для стабилизации сбросной минерализованной воды бальнео-технологических систем, оборотных систем промышленных предприятий даёт возможность предотвратить образование осадка.
4. Разработана методика оценки стабильности исходной воды по концентрации ионов Ca2+.
5. Создана лабораторная установка для экспериментальных исследований по определению доз комплексонов и потерь напорам при фильтрации воды с комплексонами.
6. Экспериментальные исследования позволили определить степень инкрустации сбросных минерализованных вод.
7. Составлены уравнения процесса образования осадка (инкрустация) с использованием ком-плексонов.
8. Определено, что скорость образования осадка (инкрустация) с использованием комплексонов снижается в 11 раз.
Библиографический список
1. Петрова Т. И., Мацысо Т. В. Использование комплексообразующих соединений для кор-рекционной обработки воды в системах теплоснабжения // Вестник МЭИ. 2007. № 1. С. 29 - 31.
2. Темердашев З. А. Влияние качества воды на формирование состава отложений в водогрейных системах закрытого типа // Экология и промышленность России. 2016. № 11. С. 54 - 58.
3. Темердашев З. А. Влияние природной воды на формирование фазового состава отложений в теплообменниках систем горячего водоснабжения Краснодарского края // Экологическая химия. 2017. Т. 26. № 1. С. 53 - 58.
4. Темердашев З. А. Влияние качества воды на фазовый и химический состав отложений в паровых котлах // Экология и промышленность России. 2017. № 4. С. 48 - 53.
5. Темердашев З. А. Реализация экологически обоснованного способа удаления труднорастворимых отложений в паровых котлах // Экология и промышленность России. 2017. Т. 21. № 8. С. 33 - 37.
6. Васильева Л. В., Васильев А. М., Темердашев З. А. Влияние состава природной воды на формирование отложений в паровом котле и способы их удаления // Материалы научно-практической конференции «Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность 2017». г. Севастополь. 2017. С. 238 - 241.
7. Пат. No 169323 Российская Федерация, МПК F28G 9/00 (2006.01). Устройство для очистки трубок теплообменников от отложений / Васильев А. М, Темердашев З. А., Васильева Л. В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный университет». — № 2016117018/06; заявл. 28.04.2016; опубл. 15.03.2017. 9 с.
8. Пат. N0 167097 Российская Федерация, МПК Б28С 9/00 (2006.01) Устройство для очистки внутренней поверхности водогрейного жаротрубного котла / Васильев А. М, Темердашев З. А., Васильева Л. В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный университет». № 2016117019/06; заявл. 28.04.2016; опубл. 20.12.2016. 8 с.
9. Васильева Л. В., Васильев А. М. Применение рентгенофлуоресцентного метода для анализа отложений, образованных в системах горячего водоснабжения // XX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. В 5 т. Т. 4. Екатеринбург: Уральское отделение Российской академии наук. 2016. С. 353.
10. Васильев А. М., Васильева Л. В. Физико-химия формирования отложений в теплообменниках систем горячего водоснабжения Краснодарского края // V Международная конференция-школа по химической технологии ХТ'16. Волгоград. 2016. С. 156-157.
11. Дятлова Н. М., Темкина В. Я., Попов К. И. Комплексоны и комплексонаты металлов. М.: Химия, 1988. 544 с.
и
Z н
Û
DEPENDENCE OF INCRUSTATION IN WASTE WATERS ON COMPLEXONS
CÛ
V. B. Vikulina
Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow
Abstract
The waste waters of balneological complexes have the properties of instability. To preserve the sedimentation process (incrustation), it is advisable to add stabilizing substances.
The paper presents the concept of stabilization of cooling and circulating water of thermal power plants. Salt deposits form on the inner surface of pipelines, and the term inlay is introduced.
A radical way to stabilize water during its transportation is the use of complexons. The relevance, purpose and objectives of the work are formulated. The OEDF, DPF and diphalon complexes were selected for experimental studies. A methodology for assessing the determination
of water stability has been developed. The stability of the discharged mineral waters was assessed by the concentration of Ca2+ in the filtrate, g/l. A mathematical description of the inlay process is proposed.
The experimental studies carried out made it possible to substantiate the conclusions of this work and formulate a conclusion on the effect of doses of complexones on the precipitation of salts present in the source water.
The Keywords
stabilization, complexes, mineralization, loading, filtration, balneo technological systems, salt deposits
Date of receipt in edition
09.04.22
Date of acceptance for printing
14.04.22
X ГО
0 u
X
1
и о a vo и
u
s s J
га н
и >
a
х s s и
И
cû и . s
in CD
■ га ca m
Ссылка для цитирования:
В. Б Викулина. Зависимость инкрустации в сбросных водах от комплексонов. — Системные технологии. — 2022. — № 42. — С. 54 - 62.
