Магнитный фильтр для воды - МГД резонатор: принцип работы

Анализ ситуации, которая сложилась на рынке энергоресурсов Украины, а также высокий удельный вес энергозатрат в себестоимости продукции Украинских предприятий, заставляет искать возможности уменьшения энергозатрат путем (как один из вариантов) внедрения энергосберегающих технологий, одной из которых является магнитный фильтр для воды.
Известно, что одной из наибольших проблем, приводящих к значительному перерасходу энергоносителей и падению производительности теплообменного оборудования на предприятиях и коммунальных хозяйствах, является процесс накипеобразования на теплообменных поверхностях. Среди негативных последствий данного процесса можно отметить резкое снижение теплопередачи от поверхности нагрева к воде или водному раствору, равно как и снижение эффективности охлаждения водой поверхностей нагрева. Также, следует упомянуть о росте эксплуатационных расходов и сокращении срока службы самого теплообменного оборудования вследствие возникающей необходимости его механической либо химической чистки.
Что же известно об этой проблеме? Какова суть процесса накипеобразования и что можно предпринять для разрешения этого вопроса, безусловно являющегося одной из наибольших технических проблем?
Для начала попробуем разобраться с причинами возникновения накипи. Сам процесс накипеобразования имеет место вследствие того, что происходит кристаллизация и рост твердой фазы солей жесткости из воды и водных растворов. Движущей силой процесса кристаллизации является пересыщение, то есть превышение фактической концентрации кристаллизующегося вещества над его равновесной растворимостью в данной системе. Термодинамическое состояние системы является одной из составляющих определяющих ее структуру. Поскольку при кристаллизации происходит изменение структуры раствора, каким-либо образом меняя структуру раствора, мы сможем изменить кинетику (скорость) кристаллизации. Если соль может кристаллизоваться в различных кристаллографических модификациях, меняя структуру раствора, мы также сможем вызвать кристаллизацию определенной кристаллографической модификации.
Процесс кристаллизации состоит из стадий зародышеобразования и роста кристаллических зародышей [1]. Скорость роста кристаллов как правило выше, чем скорость зародышеобразования. На инородных (гетерогенных) по отношению к кристаллизующемуся веществу поверхностях (гетерогенная кристаллизация - пылинки, поверхность трубопроводов и так далее) скорость зародышеобразования выше, чем в объеме (гомогенная - объемная) в 1000 - 10000 раз.
Карбонатные отложения на теплообменных поверхностях котлов, бойлеров, трубопроводов, технологическом оборудовании образуются благодаря стечению целого ряда обстоятельств:

  • Карбонат кальция, главный виновник появления накипи, имеет «обратную» растворимость. Это означает, что с ростом температуры растворимость карбоната кальция снижается. Её конкретное значение в диапазоне температур раствора 20оC - 200оC позволяет с точностью ± 0,031 мг-экв/л рассчитать уравнение (1) [2]:
    РСаСО3, (мг-экв/л) = [ 2,684 * 1О-3 * t * exp( - 0,05064 * t )]0,5       (1)
  • На поверхности теплообмена температура выше, чем в объёме жидкости, а значит выше и пересыщение (П) - безразмерная величина:
    П = ССаСО3 / PСаСО3      (2)
    где ССаСО3 - фактическая концентрация карбоната кальция в растворе.
  • Поверхность теплообменной аппаратуры способна инициировать зародышеобразование солей жесткости.
  • Карбонат кальция может кристаллизоваться в двух кристаллографических модификациях: кальцита и арагонита.

Т.о., вода, содержащая соли жесткости в концентрации ССаСО3, при контакте с теплообменной поверхностью нагревается. При этом растворимость РСаСО3 солей жесткости в ней по мере нагрева снижается в соответствии с уравнением (1), а пересыщение П в соответствии с уравнением (2) возрастает. Для наглядности, численные значения растворимости карбоната кальция в микрограмм-эквивалентах на литр и относительное пересыщение, приведены в Таблице 1. Исходная концентрация карбоната кальция в нагреваемой воде - её надо знать для расчета пересыщения - принята ССаСО3 = 5 мг-экв/л. Естественно, если принять более высокое значение ССаСО3, значения пересыщения будут тоже более высокие. Напомним, что концентрация солей жесткости в Днепровской воде 5 мг-экв/л, а в воде некоторых артезианских скважин она может достигать 12 - 17 мг-экв/л.

Таблица 1 - Растворимость карбоната кальция в воде

T,oC 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Р, мкг-экв/л 119,10 87,9 61,2 41,2 27,3 17,7 11,4 7,3 4,6
Пересыщен. 42 56 82 121 183 282 438 685 1087

 Процесс накипеобразования протекает следующим образом: вода поступает в теплообменник. Нагревается от теплопередающей поверхности. При этом растворимость карбоната кальция снижается, а пересыщение увеличивается тем больше, чем выше исходная концентрация солей жесткости и температура (см. Таблицу 1). Поверхность инициирует зародышеобразование, а рост зародышей до размера видимых глазом кристаллов обеспечивается наличием пересыщения. Поскольку температура выше на теплопередающей поверхности, градиент пересыщения направлен к ней. Естественно, при дальнейшей деталировке процесса кристаллизации надо учесть целый ряд «подробностей»:

  • Чем выше скорость воды вдоль поверхности, тем тоньше пограничный (пристеночный) слой, тем лучше теплоотдача от стенки в объём жидкости, тем меньше «строительного материала» у поверхности для роста кристаллических зародышей карбоната кальция. Кроме того, протекание воды вдоль стенки вызывает появление гидродинамических пульсаций [3]:
    w = ( 0,103 * Re 0,515 ) * ( Vж / d )     (3)
    где: w - частота гидродинамических пульсаций;
    Re - критерий Рейнольдса;
    Vж - скорость движения жидкости;
    d - диаметр (линейный определяющий размер) канала, в котором протекает жидкость.
    Чем выше скорость движения жидкости, тем выше частота гидродинамических пульсаций, что препятствует закреплению кристаллика на поверхности: микрокристаллик срывается потоком и свой рост продолжает в объеме жидкости.
  • Не всякая поверхность способна инициировать зародышеобразование.
    Во-первых, на поверхности должны быть «активные центры» участки с энергетической неоднородностью, в качестве которых выступают дефекты кристаллической структуры и в первую очередь дислокации.
    Во-вторых, сингонии (конфигурация элементарной ячейки) кристалла материала поверхности и кристаллизующегося на ней вещества должны совпадать, а параметры кристаллических решеток не должны отличаться более чем на 20% [5].
    В качестве критерия затравочной активности поверхности (подложки) используют величину кристаллографического несоответствия [6]:
    y = | yапд - yакр | / yакр = | yапд / yакр | - 1 = | 1 - yакр / yапд |     (4)
    где: yапд - параметр а кристаллической решетки подложки (в обсуждаемом случае - материала теплообменной поверхности),
    yакр - параметр а кристаллической решетки кристаллизующегося вещества (в обсуждаемом случае - карбоната кальция).
    Чем меньше кристаллографическое несоответствие, тем с большей интенсивностью поверхность инициирует образование зародышей кристаллизующегося вещества, тем меньше пересыщение, при котором это происходит.
  • Материал, из которого изготовлен теплообменник, играет с точки зрения кристаллографического несоответствия кристаллам солей жесткости не последнюю роль. Кроме того, кристаллизация солей жесткости может идти в форме различных кристаллографических модификаций. Предположим, теплообменная поверхность изготовлена из черной стали, а в процессе эксплуатации она может покрывается карбонатом железа, окислами или гидроокисью железа. Вода, омывающая теплообменную поверхность, может содержать карбонат или сульфат кальция. Карбонат кальция может кристаллизоваться в форме кальцита или арагонита. Сульфат кальция может кристаллизоваться в форме ангидрита, полуводного и двухводного сульфата кальция. Для оценки возможности кристаллизации карбоната и сульфата кальция на теплообменной поверхности в Таблице 2 приведены данные о структуре кристаллов поверхности и кристаллизантов, заимствованные из справочной литературы [7], а также расчетные значения их кристаллографического несоответствия. В Таблицу 2 включены только вещества с кристаллографическими модификациями тригональной сингонии. Только у альфа-Fe (железа) и Au (золота), также включенных в Таблицу 2, кристаллы кубической сингонии.

Как следует из данных, приведенных в столбце 4 Таблицы 2, на поверхности железа или золота ни одна из солей жесткости кристаллизоваться не должна, так как имеет показатель кристаллографического несоответствия больше 0,2. Кроме того, сингонии кристаллов железа и золота, а также возможных отложений не совпадают.

Таблица 2 - Данные о структуре и взаимном кристаллографическом несоответствии некоторых кристаллов

Химическая формула Кристаллографическая модификация Параметр ячейки а в Ангстремах Кристаллографическое несоответствие
Au Золото 4,078 -
СаСО3 Арагонит 5,72 0,40
СаСО3 Кальцит 4,893 0,20
СаСО3 Арагонит 5,72 -
альфа-Fe   2,866 0,499
FeCO3 Сидерит 4,627 0,191
Fe(OH)2   3,24 0,434
Fe2O3 Гематит 5,42 0,052
Fe2O3   5,025 0,121
CaCO3 Кальцит 4,893 -
альфа-Fe   2,866 0,414
FeCO3 Сидерит 4,627 0,054
Fe(OH)2   3,24 0,338
Fe2O3 Гематит 5,42 0,108
Fe2O3   5,025 0,027
CaSO4*0,5 Н2О   6,82 -
альфа-Fe   2,866 0,580
FeCO3 Сидерит 4,627 0,322
Fe(OH)2   3,24 0,525
Fe2O3 Гематит 5,42 0,205
Fe2O3   5,025 0,263
CaSO4* 2Н2О   6,83 -
альфа-Fe   2,866 0,580
FeCO3 Сидерит 4,627 0,323
Fe(OH)2   3,24 0,526
Fe2O3 Гематит 5,42 0,206
Fe2O3   5,025 0,264

Итак, карбонатные отложения на поверхности стали или золота не должны образовываться. Тем не менее, на поверхности стали они - обычное явление.
Почему же это происходит? Ведь, как известно, на золотых поверхностях карбонатные отложения, в строгом соответствии с присущими золоту свойствами, попросту не образовываются. В чем же причина такого «аномального поведения» стали?
Одной из причин этого явления является тот факт, что вода всегда содержит растворенные газы, в частности, кислород и углекислый газ. Кислород вызывает окисление железа.
Углекислый газ образует с железом карбонат железа. Чем ниже растворимость образующегося в результате химической реакции вещества, тем выше скорость его образование. Растворимость сидерита, одной из кристаллографических модификаций карбоната железа, составляет 10 микрограммов в литре. Другими словами, даже ничтожное содержание углекислоты в воде приводит к образованию на теплообменной поверхности из железа (стали) пленки сидерита.
Как правило карбонат кальция кристаллизуется в форме кальцита. Обратимся к данным, приведенным в Таблице 2. Сидерит, гематит и Fe2O3 могут =?инициировать кристаллизацию кальцита: кристаллографическое несоответствие 0,054; 0,108; 0,027 соответственно. Различные кристаллографические модификации сульфата кальция на таких подложках и железе не образуются.
Итак, в образовании карбонатных отложений на стальных теплообменных поверхностях виноваты кислород и углекислота, содержащиеся в нагреваемой воде.
Если причиной карбонатных отложений на теплообменной поверхности является образование подложки из сидерита или окислов железа за счет химической реакции железа с кислородом и углекислотой, а затем образование в результате нагрева пересыщения по карбонату кальция, напрашивается естественный вывод: перед поступлением воды в теплообменник (котел, выпарную колонну) надо:

  • удалить из неё кислород и углекислоту;
  • снизить возможный уровень пересыщения (см. уравнение 2) по карбонату кальция за счет удаления ионов кальция;
  • повысить скорость движения воды вдоль теплообменной поверхности, что увеличит частоту гидродинамических пульсаций (см. уравнение 3), повысит вероятность удаления микрокристалликов кальцита с поверхности;
  • заставить карбонат кальция кристаллизоваться в форме арагонита;
  • покрыть поверхность веществом, инертным в химическом отношении к кислороду и углекислоте, или имеющим высокое кристаллографическое несоответствие (см. уравнение 4) к кальциту.

Какие технические приемы при этом целесообразно применить?
Традиционным подходом к решению данной проблемы является использование следующих мероприятий:

  • проведение деаэрации;
  • удаление ионов кальция и магния химической очисткой воды или ионным обменом.

Немного, не правда ли? Из возможных вариантов борьбы с накипеобразованием на большинстве предприятий используется едва ли половина! И, как показывает практика, принимаемых мер, как правило, более чем недостаточно.
Конечно, не все из предложенных мер являются реализуемыми в масштабах промышленного предприятия: одно дело покрыть золотом спираль в чайнике и совсем другое дело призывать к «позолоте» внутренней поверхности котла либо выпарной колонны, да и использование нагнетающих насосов с напорными и расходными характеристиками превышающими требования технологического процесса предприятия тоже вряд ли целесообразно.
Получается, что выхода нет? Что все доступные нам методики борьбы с солеотложением уже используются, и нам лишь остается смириться с неизбежным, в буквальном смысле этого слова сжигая деньги предприятия в топках для поддержания параметров технологического процесса в заданном коридоре значений?
А существует ли технология способная повысить эффективность используемых мероприятий и, может быть, предложить что-нибудь такое, что на данный момент еще не стало стандартом на предприятиях Украины?
Да такая технология существует! И существует не только в теоретических выкладках, но и успешно работает на огромном количестве зарубежных предприятий с середины 50-х годов прошлого века, и уже внедрена на целом ряде промышленных предприятий постсоветского пространства, в том числе и на Украине.
Эта технология – магнитогидродинамический резонанс (магнитные фильтры для воды и водных растворов) уже опробирована на предприятиях Украины и доказала свою эффективность в интенсификации целого ряда технологических процессов.
Что же это такое?
Эффект магнитогидродинамического резонанса реализуется в магнитный фильтр для воды производства НПП «Орион» г. Харьков, и представляет собой структурную перестройку жидкости под воздействием магнитного поля при следующих обязательных условиях:

  • определенный, задаваемый при конструировании аппарата диапазон расхода жидкости;
  • поддержание необходимой скорости жидкости в рабочей зоне аппарата;
  • пересечение потоком жидкости магнитных силовых линий строго перпендикулярно;
  • точное значение настройки напряженности магнитного поля в рабочей зоне аппарата.

Все эти факторы учитываются на стадии проектирования магнитный фильтр - МГД резонатора (магнитогидродинамического резонатора) – изделия поставляемого НПП «Орион», с целью достижения оптимального эффекта структурной перестройки жидкости.
Что же дает магнитная обработка воды посредством магнитные фильтры при использовании ее в технологических процессах протекающих с использованием воды или водных растворов?
Магнитная обработка воды посредством магнитный фильтр для воды производства НПП «Орион» позволяет изменить структуру жидкости, что в свою очередь позволяет:

  • ускорить дегазацию жидкости, что приводит к уменьшению коррозии теплообменных поверхностей и, как было показано ранее, уменьшает интенсивность кристаллизации солей на теплообменных поверхностях;
  • заставляет карбонат кальция кристаллизоваться в форме арагонита, имеющего кристаллографическое несоответствие к сидериту в 3,5 раза выше, чем у кальцита, что не может быть достигнуто ни одной другой из использующихся технологий, и позволяет предотвратить образование твердой фазы солей жесткости практически полностью, либо существенно замедлить этот процесс, практически нейтрализовав его;
  • заставляет карбонат кальция быстрее кристаллизоваться, так как скорость зародышеобразования арагонита в 3 раза выше, чем у кальцита. Чем выше скорость кристаллизации, тем быстрее снимается пересыщение - движущая сила процесса кристаллизации;
  • повысить эффективность работы ионообменных фильтров, одновременно увеличивая их межрегенерационный пробег;
  • повысить производительность вакуум-выпарных установок.

За счет чего это происходит? Как можно, например, интенсифицировать процесс ионного обмена?
Дело в том, что если жидкость движется в магнитном поле, на неё действует сила Лоренца, которая пытается изменить траекторию движения частиц жидкости пропорционально величине и знаку их заряда. Если сила Лоренца попадет в резонанс с собственными колебаниями частиц жидкости, то возможна структурная перестройка.
Известно, что скорость любой реакции (химической или ионного обмена) зависит от концентрации вступающих в реакцию веществ. Ионы кальция и магния, содержащиеся в воде, ионы натрия, закрепленные на органических радикалах в ионообменном материале, окружены гидратной оболочкой – молекулами воды. Активность ионов (фактическая концентрация) всегда ниже, чем концентрация, определяемая материальным балансом. Меняя структуру воды, уменьшая гидратированность (обводненность) ионов, мы повышаем скорость реакции. Кроме того, снижая вязкость воды, мы включаем в процесс и те ионы натрия, которые из-за очень низкой активности (находятся внутри пор ионообменного материала) в реакции ранее не участвовали.
Ну хорошо, это понятно. Но как насчет повышения производительности вакуум-выпарных установок? За счет чего можно добиться улучшения показателей работы оборудования в этом технологическом процессе?
В данном случае объяснением повышения производительности оборудования является тот факт, что у каждого вещества своя частота собственных колебаний молекул. Это дает возможность влиять резонансной частотой на любой компонент жидкой смеси, ослабляя межмолекулярные связи. Поэтому удается эффективнее выпаривать свекловичный сок, глицериновый раствор и так далее.
Кроме того, магнитная обработка воды МГД резонаторами имеет целый ряд преимуществ, которые делают ее использование простым и эффективным, а именно:

  • отсутствие кинематических узлов и электрических цепей;
  • простота монтажа и отсутствие необходимости технического обслуживания;
  • длительный срок эксплуатации без каких-либо дополнительных денежных затрат;
  • возможность применения совместно с другими способами водоподготовки (деаэрацией и химической очисткой) повышая их эффективность.

 Таким образом, магнитная обработка воды с помощью магнитные фильтры для воды является эффективным методом использования положительного влияния магнитогидродинамического резонанса на технологические процессы использующие воду или водные растворы.
Автор выражает свою глубокую признательность канд. хим. наук. Присяжнюку В.А., внесшему неоценимый вклад в развитие теории и практики магнитной обработки жидкостей с 1967г. и до настоящего времени, работы которого были использованы при написании данной статьи.

Литература

  • Hudson J.B., Sandejas J.S. «J. Vac. And Technolog.», 1967, v.4, №5, p. 617 - 632.
  • Присяжнюк В.А., Научно-технический отчет по теме «Усовершенствовать и внедрить технологическую схему и аппаратурное оформление процесса химводоочистки». - Харьков: ИПМаш АНУ, 1994. - 96 с.
  • Галицейский А.С., Рыжов Н.И., Теплообмен и гидродинамика в колеблющихся потоках. - М.: Машиностроение, 1977.
  • Sogor L., Walton A.S. «Surf. Sci.», 1971, v.25, №2, p. 337 - 349.
  • Thomson G.P. «Proc. Phys. Soc.», 1948, v. 61, №2, p. 403 - 411.
  • Telkes M. «Ind. Eng. Chem.», 1952, v.44, N 7, p. 1308-1314.
  • Справочник химика, т. I, стр. 402. М.-Л., изд-во «ХИМИЯ», 1966 г.

Другие разделы категории:

- МГД резонатор - устройство для борьбы с накипью;
- Область применения;
- Обработка молочных продуктов;
- Часто задаваемые вопросы;

- Акты внедрений;
- Бланк технического задания