Магнітний фільтр для води - МГД резонатор: принцип роботи

Аналіз ситуації, яка склалася на ринку енергоресурсів України, а також висока питома вага енерговитрат в собівартості продукції українських підприємств, змушує шукати можливості зменшення енерговитрат шляхом (як один з варіантів) впровадження енергозберігаючих технологій, однією з яких є магнітний фільтр для води.
Відомо, що однією з найбільших проблем, що призводять до значних перевитрат енергоносіїв і падіння продуктивності теплообмінного обладнання на підприємствах і комунальних господарствах, є процес накипформування на теплообмінних поверхнях.  Серед негативних наслідків даного процесу можна відзначити різке зниження теплопередачі від поверхні нагрівання до води або водного розчину, так само як і зниження ефективності охолодження водою поверхонь нагріву.  Також, слід згадати про зростання експлуатаційних витрат і скорочення терміну служби самого теплообмінного обладнання внаслідок виникає необхідність його механічної або хімічної чистки.
Що ж відомо про цю проблему?  Яка суть процесу накипоутворення і що можна зробити для вирішення цього питання, безумовно є однією з найбільших технічних проблем?
Для початку спробуємо розібратися з причинами виникнення накипу.  Сам процес накипформування має місце внаслідок того, що відбувається кристалізація і зростання твердої фази солей жорсткості з води і водних розчинів.  Рушійною силою процесу кристалізації є пересичення, тобто перевищення фактичної концентрації речовини, що кристалізується над його рівноважною розчинністю в даній системі.  Термодинамічний стан системи є однією зі складових, що визначають її структуру.  Оскільки при кристалізації відбувається зміна структури розчину, яким-небудь чином змінюючи структуру розчину, ми зможемо змінити кінетику (швидкість) кристалізації.  Якщо сіль може кристалізуватися в різних кристалографічних модифікаціях, змінюючи структуру розчину, ми також зможемо викликати кристалізацію певної кристалографічної модифікації.
Процес кристалізації складається зі стадій зародкоутворення і зростання кристалічних зародків [1].  Швидкість росту кристалів як правило вище, ніж швидкість зародкоутворення.  На сторонніх (гетерогенних) по відношенню до речовини, що кристалізується поверхнях (гетерогенна кристалізація - пилинки, поверхня трубопроводів і так далі) швидкість зародкоутворення вище, ніж в обсязі (гомогенна - об'ємна) в 1000 - 10000 разів.
 Карбонатні відкладення на теплообмінних поверхнях котлів, бойлерів, трубопроводів, технологічному обладнанні утворюються завдяки збігу цілого ряду обставин:

  • Карбонат кальцію, головний винуватець появи накипу, має «зворотну» розчинність.  Це означає, що із зростанням температури розчинність карбонату кальцію знижується.  Її конкретне значення в діапазоні температур розчину 20оC - 200оC дозволяє з точністю ± 0,031 мг-экв/л розрахувати рівняння (1) [2]:
    РСаСО3, (мг-экв/л) = [ 2,684 * 1О-3 * t * exp( - 0,05064 * t )]0,5       (1)
  • На поверхні теплообміну температура вище, ніж в об'ємі рідини, а значить вище і пересичення (П) - безрозмірна величина:
    П = ССаСО3 / PСаСО3      (2)
    де ССаСО3 - фактична концентрація карбонату кальцію в розчині.
  • Поверхня теплообмінної апаратури здатна ініціювати зародкоутворення солей жорсткості.
  • Карбонат кальцію може кристалізуватися в двох кристалографічних модифікаціях: кальциту і арагоніта.

Т.о., вода, що містить солі жорсткості в концентрації ССаСО3, при контакті з теплообмінної поверхнею нагрівається.  При цьому розчинність РСаСО3 солей жорсткості в ній в міру нагрівання знижується відповідно до рівняння (1), а пересичення П відповідно до рівняння (2) зростає. Для наочності, чисельні значення розчинності карбонату кальцію в мікрограм-еквівалентах на літр і відносне пересичення, наведені в Таблиці 1. Початкова концентрація карбонату кальцію в воді що нагрівається - її треба знати для розрахунку пересичення - прийнята ССаСО3 = 5 мг-экв/л. Природно, якщо прийняти більш високе значення ССаСО3, значення пересичення будуть теж вищі.  Нагадаємо, що концентрація солей жорсткості в Дніпровській воді 5 мг-экв/л, а в воді деяких артезіанських свердловин вона може досягати 12 - 17 мг-экв/л.

Таблиця 1 - Розчинність карбонату кальцію в воді

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
Пересичен. 42 56 82 121 183 282 438 685 1087

 Процес накипформування протікає в такий спосіб: вода надходить в теплообмінник.  Нагрівається від  поверхні, яка передає тепло.  При цьому розчинність карбонату кальцію знижується, а пересичення збільшується тим більше, чим вище вихідна концентрація солей жорсткості і температура (див. Таблицю 1).  Поверхня ініціює зародкоутворення, а зростання зародків до розміру видимих ​​оком кристалів забезпечується наявністю пересичення.  Оскільки температура вище на поверхні, яка передає тепло, градієнт пересичення спрямований до неї.  Природно, при подальшій деталіровці
процесу кристалізації треба врахувати цілий ряд «подробиць»:

  • Чим вище швидкість води уздовж поверхні, тим тонше прикордонний (пристінковий) шар, тим краще тепловіддача від стінки в обсяг рідини, тим менше «будівельного матеріалу» у поверхні для зростання кристалічних зародків карбонату кальцію.  Крім того, протікання води вздовж стінки викликає поява гідродинамічних пульсацій [3]:
    w = ( 0,103 * Re 0,515 ) * ( Vж / d )     (3)
    де: w - частота гідродинамічних пульсацій;
    Re - критерій Рейнольдса;
    Vж - швидкість руху рідини;
    d - діаметр (лінійний визначає розмір) каналу, в якому протікає рідина.
    Чим вище швидкість руху рідини, тим вище частота гідродинамічних пульсацій, що перешкоджає закріпленню кришталика на поверхні: мікрокристаликів зривається потоком і своє зростання продовжує в об'ємі рідини.
  • Не всяка поверхня здатна ініціювати зародкоутворення.
     По-перше, на поверхні повинні бути «активні центри» ділянки з енергетичної неоднорідністю, в якості яких виступають дефекти кристалічної структури і в першу чергу дислокації.
     По-друге, сингонії (конфігурація елементарної комірки) кристала матеріалу поверхні і   речовини на ній кристалізується повинні збігатися, а параметри кристалічних решіток не повинні відрізнятися більш ніж на 20% [5].
     Як критерій затравочной активності поверхні (підкладки) використовують величину кристаллографічної невідповідності [6]:
    y = | yапд - yакр | / yакр = | yапд / yакр | - 1 = | 1 - yакр / yапд |     (4)
    де: yапд - параметр а кристалічної решітки підкладки (в обговорюваному випадку - матеріалу теплообмінної поверхні),
    yакр - параметр кристалічної решітки речовини, що кристалізується (в обговорюваному випадку - карбонату кальцію).
    Чим менше кристалографічна невідповідність, тим з більшою інтенсивністю поверхню ініціює утворення зародків речовини, що кристалізується, тим менше пересичення, при якому це відбувається.
  • Матеріал, з якого виготовлений теплообмінник, грає з точки зору кристаллографічної невідповідності кристалів солей жорсткості не останню роль.  Крім того, кристалізація солей жорсткості може йти в формі різних кристалографічних модифікацій.  Припустимо, теплообмінна поверхня виготовлена ​​з чорної сталі, а в процесі експлуатації вона може покривається карбонатом заліза, оксидами або гідроксидом заліза.  Вода, що омиває теплообмінну поверхню, може містити карбонат або сульфат кальцію.  Карбонат кальцію може кристалізуватися в формі кальциту або арагоніта.  Сульфат кальцію може кристалізуватися в формі ангідриту, напівводного і двухводного сульфату кальцію.  Для оцінки можливості кристалізації карбонату і сульфату кальцію на теплообмінної поверхні в Таблиці 2 наведені дані про структуру кристалів поверхні і крісталлізантов, запозичені з довідкової літератури [7], а також розрахункові значення їх кристаллографического невідповідності.  У Таблицю 2 включені тільки речовини з кристалографічними модифікаціями тригональной сингонії.  Тільки у альфа-Fe (заліза) і Au (золота), також включених до Таблиці 2, кристали кубічної сингонії.

Як випливає з даних, наведених в стовпці 4 Таблиці 2, на поверхні заліза або золота жодна з солей жорсткості кристалізуватися не повинна, так як має показник кристаллографичної невідповідності більше 0,2.  Крім того, сингонії кристалів заліза і золота, а також можливих відкладень не збігаються.

Таблиця 2 - Дані про структуру і взаємну кристалографічну невідповідність деяких кристалів

Хімічна формула Кристалографічна модифікація Параметр осередку в Ангстрема Кристалографічна невідповідність
Au Золото 4,078 -
СаСО3 Арагоніт 5,72 0,40
СаСО3 Кальцит 4,893 0,20
СаСО3 Арагоніт 5,72 -
альфа-Fe   2,866 0,499
FeCO3 Сидеріт 4,627 0,191
Fe(OH)2   3,24 0,434
Fe2O3 Гематіт 5,42 0,052
Fe2O3   5,025 0,121
CaCO3 Кальцит 4,893 -
альфа-Fe   2,866 0,414
FeCO3 Сидеріт 4,627 0,054
Fe(OH)2   3,24 0,338
Fe2O3 Гематіт 5,42 0,108
Fe2O3   5,025 0,027
CaSO4*0,5 Н2О   6,82 -
альфа-Fe   2,866 0,580
FeCO3 Сидеріт 4,627 0,322
Fe(OH)2   3,24 0,525
Fe2O3 Гематіт 5,42 0,205
Fe2O3   5,025 0,263
CaSO4* 2Н2О   6,83 -
альфа-Fe   2,866 0,580
FeCO3 Сидеріт 4,627 0,323
Fe(OH)2   3,24 0,526
Fe2O3 Гематіт 5,42 0,206
Fe2O3   5,025 0,264

Отже, карбонатні відкладення на поверхні сталі або золота не повинні утворюватися. Тим не менш, на поверхні сталі вони - звичайне явище.
Чому ж це відбувається? Адже, як відомо, на золотих поверхнях карбонатні відкладення, в суворій відповідності з притаманними золоту властивостями, просто не утворюються. У чому ж причина такої «аномального поведінки» сталі?
Однією з причин цього явища є той факт, що вода завжди містить розчинені гази, зокрема, кисень і вуглекислий газ. Кисень викликає окислення заліза.
Вуглекислий газ утворює з залізом карбонат заліза. Чим нижче розчинність утворюється в результаті хімічної реакції речовини, тим вище швидкість його утворення. Розчинність сидеріта, однією з кристалографічних модифікацій карбонату заліза, становить 10 мікрограмів на літр. Іншими словами, навіть незначний вміст вуглекислоти у воді призводить до утворення на теплообмінній поверхні з заліза (сталі) плівки сидерита.
Як правило карбонат кальцію кристалізується у формі кальциту. Звернемося до даних, наведених у Таблиці 2. Сидерит, гематит та Fe2O3 можуть ініціювати кристалізацію кальциту: кристаллографічну невідповідність 0,054; 0,108; 0,027 відповідно. Різні кристалографічні модифікації сульфату кальцію на таких підкладках і залізі не утворюються.
Отже, в освіті карбонатних відкладень на сталевих теплообмінних поверхнях винні кисень і вуглекислота, що містяться в нагрітій воді.
Якщо причиною карбонатних відкладень на теплообмінній поверхні є утворення підкладки з сидеріта або оксидів заліза за рахунок хімічної реакції заліза з киснем і вуглекислотою, а потім утворення в результаті нагріву пересичення з карбонату кальцію, напрошується природний висновок: перед надходженням води в теплообмінник (котел, випарну колону) треба:

  • видалити з неї кисень і вуглекислоту;
  • знизити можливий рівень пересичення (див. рівняння 2) по карбонату кальцію за рахунок видалення іонів кальцію;
  • підвищити швидкість руху води уздовж теплообмінної поверхні, що збільшить частоту гідродинамічних пульсацій (див. рівняння 3), підвищить ймовірність видалення мікрокристаликів кальциту з поверхні;
  • змусити карбонат кальцію кристалізуватися у формі арагонита;
  • покрити поверхню речовиною, інертним в хімічному відношенні до кисню або вуглекислоті, або мають високу кристалографічну невідповідність (див. рівняння 4) до кальциту.

Які технічні прийоми при цьому доцільно застосувати?
 Традиційним підходом до вирішення даної проблеми є використання наступних заходів:

  • проведення деаерації;
  • видалення іонів кальцію і магнію хімічним очищенням води або іонним обміном.

Трохи, правда? З можливих варіантів боротьби з накипформуванням на більшості підприємств використовується навряд чи половина! І, як показує практика, заходів, що приймаються, як правило, більш ніж достатньо.
Звичайно, не всі із запропонованих заходів є реалізованими у масштабах промислового підприємства: одна справа покрити золотом спіраль в чайнику і зовсім інша справа-закликати до «позолоти» внутрішньої поверхні котла або випарної колони, так і використання нагнітаючих насосів з напірними і витратними характеристиками перевищують вимоги технологічного процесу підприємства теж навряд чи доцільно.
Виходить, що виходу немає? Що всі доступні нам методики боротьби з солевідкладенням вже використовуються, і нам залишається лише змиритися з неминучим, в буквальному сенсі цього слова спалюючи гроші підприємства в топках для підтримання параметрів технологічного процесу в заданому коридорі значень?
А чи існує технологія здатна підвищити ефективність використовуваних заходів і, може бути, запропонувати що-небудь таке, що на даний момент ще не стало стандартом на підприємствах України?
Так така технологія існує! І існує не тільки в теоретичних викладках, але і успішно працює на величезній кількості зарубіжних підприємств з середини 50-х років минулого століття, і вже впроваджена на цілому ряді промислових підприємств пострадянського простору, в тому числі і на Україні.
Ця технологія – магнітогідродинамічний резонанс (магнітні фільтри для води і водних розчинів) вже опробірованних на підприємствах України та довела свою ефективність інтенсифікації цілого ряду технологічних процесів.
Що ж це таке?
Ефект магнітогідродинамічних резонансу реалізується в магнітний фільтр для води виробництва НВП «Оріон» м. Харків, і являє собою структурну перебудову рідини під впливом магнітного поля при наступних обов'язкових умовах:

  • певний, що задається при конструюванні апарату діапазон витрати рідини;
  • підтримання необхідної швидкості рідини в робочій зоні апарату;
  • перетин потоком рідини магнітних силових ліній суворо перпендикулярно;
  • точне значення настройки напруженості магнітного поля в робочій зоні апарата.

 Всі ці фактори враховуються на стадії проектування магнітний фільтр - МГД резонатора (магнітогідродинамічної резонатора) - вироби, що поставляється НВП «Оріон», з метою досягнення оптимального ефекту структурної перебудови рідини.
 Що ж дає магнітна обробка води за допомогою магнітного фільтра при використанні її в технологічних процесах протікають з використанням води або водних розчинів?
 Магнітна обробка води за допомогою магнітний фільтр для води виробництва НВП «Оріон» дозволяє змінити структуру рідини, що в свою чергу дозволяє:

  • прискорити дегазацію рідини, що призводить до зменшення корозії теплообмінних поверхонь і, як було показано раніше, зменшує інтенсивність кристалізації солей на теплообмінних поверхнях;
  • змушує карбонат кальцію кристалізуватися у формі арагоніта, що має кристалографічну невідповідність до сидеріту в 3,5 рази вище, ніж у кальциту, що не може бути досягнуто жодною іншою із решти технологій, і дозволяє запобігти утворенню твердої фази солей жорсткості практично повністю, або суттєво уповільнити  цей процес, практично нейтралізувавши його;
  • змушує карбонат кальцію швидше кристалізуватися, так як швидкість зародкоутворення арагонита в 3 рази вище, ніж у кальциту.  Чим вище швидкість кристалізації, тим швидше знімається пересичення - рушійна сила процесу кристалізації;
  • підвищити ефективність роботи іонообмінних фільтрів, одночасно збільшуючи їх межрегенераційний пробіг;
  • підвищити продуктивність вакуум-випарних установок.

За рахунок чого це відбувається? Як можна, наприклад, інтенсифікувати процес іонного обміну?
Справа в тому, що якщо рідина рухається в магнітному полі, на неї діє сила Лоренца, яка намагається змінити траєкторію руху частинок рідини пропорційно величині і знаку їх заряду. Якщо сила Лоренца потрапить в резонанс з власними коливаннями частинок рідини, то можлива структурна перебудова.
Відомо, що швидкість будь-якої реакції (хімічної або іонного обміну) залежить від концентрації вступаючих до реакції речовин. Іони кальцію і магнію, що містяться у воді, іони натрію, закріплені на органічних радикалів в ионообмінному матеріалі, оточені гідратною оболонкою – молекулами води. Активність іонів (фактична концентрація) завжди нижче, ніж концентрація, обумовлена матеріальним балансом. Змінюючи структуру води, зменшуючи гідратированість (обводненість) іонів, ми підвищуємо швидкість реакції. Крім того, знижуючи в'язкість води, ми включаємо в процес і ті іони натрію, які з-за дуже низької активності (перебувають усередині пір іонообмінного матеріалу) в реакції раніше не брали участь.
Ну добре, це зрозуміло. Але як щодо підвищення продуктивності вакуум-поверхонь нагріву корпусів випарної станції? За рахунок чого можна домогтися поліпшення показників роботи обладнання в цьому технологічному процесі?
В даному випадку поясненням підвищення продуктивності обладнання є той факт, що у кожної речовини своя частота власних коливань молекул. Це дає можливість впливати резонансною частотою на будь-який компонент рідкої суміші, послаблюючи міжмолекулярні зв'язки. Тому вдається ефективніше випарювати буряковий сік, гліцериновий розчин і так далі.
Крім того, магнітна обробка води МГД резонаторами має цілий ряд переваг, які роблять її використання простим і ефективним, а саме:

  • відсутність кінематичних вузлів і електричних ланцюгів;
  • простота монтажу і відсутність необхідності технічного обслуговування;
  • тривалий термін експлуатації без будь-яких додаткових грошових витрат;
  • можливість застосування спільно з іншими способами водопідготовки (деаерацією і хімічним очищенням) підвищуючи їх ефективність.

 Таким чином, магнітна обробка води за допомогою магнітних фільтрів для води є ефективним методом використання позитивного впливу магнітогідродинамічної резонансу на технологічні процеси використовують воду або водні розчини.
 Автор висловлює свою глибоку вдячність канд.  хім.  наук.  Присяжнюку В.А., який зробив неоціненний внесок у розвиток теорії і практики магнітної обробки рідин з 1967р.  і до теперішнього часу, роботи якого були використані при написанні даної статті.

Література

  • 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.

Інші розділи категорії:

- Області застосування МГД резонаторів;
- МГД резонатор - пристрій для боротьби з накипом;
- Обробка молочних продуктів;
- Часті питання і відповіді на них;

- Акти впроваджень;
- Бланк технічного завдання на МГД резонатор;