автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Противонакипная электрообработка воды в системах оборотного водоснабжения

харькоьсжл гиа'ддркайккл аЕХК.ЧЕСжл С1?СИ1'ЕЛЬС1'ВД 'А ШТхШЖ •

" ' ОД

2 4 О ¡{Г •йа прагах .рукописи

УДС 62Ь. К2

НАйаАНОЗ Аубеккр ЯгопароБИч

ШЮТЙГСШИПНАЯ Э1ЕХТРООБРАВО" КА В С;:01ЕГ,1АХ ОБОРОТНОГО ЮДОШШЫЙ ■

С5.23.С4 - Водоснабжение, канализация, строительное системы охраны водных ресурсов

• А Ы О Р Е I £ Р А Т диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Харькос - 199-1

г,кссйртишей шмяется рукописи Работа ьыполнека р Донбасс кой: кнтанерко-строительном институте Офиииальнке оппонент к:

Доктор технических наук, профессор Д.'/.Кучеренко

Доктор технических наук, профессор Г.С.Пантелят

Доктор технических наук, профессор Ь.К.Рогов .

Ьедуи^я. организация - "Гипросталь" (г.Харьков

Задкта диссертаивк состоится в е^час на заседании Слепшни^йро ванного Совета Д.02.С7.С1 по присуждению ученой степени доктора технических наук при Харькоьском техническом .унитерситете строительства и архитектуры.

Заверент е отзквн в 2-х экземплярах просим прись лать по адресу; 31ССС2 г.Харьков ,2, Сук екая «.С.

С диссертацией можно ознакомиться ¡> библиотеке Харьковского технического университета строительства и архитектуры.

Антореферат разослан _

ЯМ : 19 94 Г 4

Ученый секретарь Спещатипироьанного

Совета, к;т.н., доцент У^/Со И. Колотило

/ См« ^ А/

I. сщля хлрли'шсла-^ рабси.

Актуальность рабогк. Развитие промышленности приводит к постоянному росту потребления водт; и истощекив водных ресурсов. В значительной мере сокращения расхода воды можно добиться при переводе предприятий на системы оборотного водоснабжения, а з перспективе - на бессточные систем;,:. Остро стоит вопрос обеспечения предприятий водой в Украине в связи с относительно небольшими водными ресурсами и наличием развитой промышленности.

Применение оборотных и бессточных систем водоснабжения требует решения ряда Еопросов, значительное место среди которых занимает борьба с накипеобразованием в теплообменной аппаратуре. Большинство современных методов снижения накипеобраэо-вания связано с использованием реагентов, которые усиливают загрязненность воды.

Противонакипная электрообработка воды выгодно отличается отсутствием реагентов и низкими затратами электроэнергии материальных и трудовых ресурсов. Однако ее распространению препятствует слабая изученность механизма действия, границ применимости и эффективности, рациональных технических и экономических параметров. Требуется научное обоснование инженерных аспектов противонакипной электрообработки воды.

Цель работы. Подвести научно обоснованную базу под инженерные аспекты противонакипной электрообработки воды, всесторонне оценить ее преимущества и недостатки, выяснить место противонакипной электрообработки в ряду современных методов снижения накипеобразования в системах оборотного водоснабжения.

Для дэстякешш поставленной цели ресатись следующие задачи: •

- анализ современных представлений о накипеобраэовании и применен*.«« электроооработкк для ее подавления;

- огенка противонакипной электрообработки с точки зрения теории электрохимических явлений в водной среде;

■ — б ыя с ненке механизма действий электрообработки на процесс накипеобразовакшз э теплообменниках;

- опенка влияния факторов качества воды и параметров электро-обработкй. ка .эффективность противонакипного действия;

- построение эмпирической обобщающей модели, адекватно описывающей взаимосвязь между накипеобраэованием, параметрами воды и электрообработки;

-'создание экспериментально-теоретической базы для расчета процессов г.ротиЕОнакипной электрообработки в системах оборотного .водоснабжения;

- разработка основных принципиальных схефромышленных противонакипных электрических аппаратов и проведение испытаний процесса противонакипной электрообработки в различных отраслях промшлекности;

- оценка эффективности противонакипной электрообработки при подпитке оборотных систем доочищенными сточными водами и ее влияния на коррозию и биообрастания;

^ ■ - определение технически и экономически целесообразных границ применимости противонакипной электрообработки в системах оборотного водоснабжения. .

. '.На защиту выносятся:

теоретические представления о механизме действия электро-ооработки воды на процессы накйпеобразования;

- результаты экспериментальных исследований по противонакипной электрообработке воды в системах оборотного водоснабжения;

- устансрлеккке закономерности ¡>лилш*л 'актеров качества воды и параметре? элекчросбрабстк;; на гб;е;;тиньость противона-кипного- действия ялеи?рообраСогки;

- ноше технические реясния и раииокалькке области применения протквонакиаьой электрообработки водь; б системах оборотного водоснабжения.

Научная новизна работы заключается с следущем:

- осуществлено научное обоснование нового метода подавления наккпеобразования в тепяссбменникех оборотных систем водоснабжения апектрообработкой ьоды постоянным током;

- выявлен механизм действия электрообработки на процессы накипеобразования в системах оборотного водоснабжения;

- построена эмпирическая обобщающая модель, адекватно описывающая взаимосвязи ке^вду накипеобразоЕанием, параметрами воды и электрообработки и подведена Научно обоснованная база под инженерные аспекты противонакипной электрообработки водь; в оборотном водоснабжении.

Практическая значимость работы состоит в следующем: .

- разработан и испытан эффективный безреагентный способ борьбы с накипеобразоЕанием электрообработкоА воды постоянным током, способствующей прекращению загрязнения водоемов стоками оборотных систем водоснабжения, отличающийся простотой реализации и эксплуатации, малыми затратами электроэнергии, материалов и трудовых ресурсов;

- создана база для расчетов и разработан» основное конструктивные схемы промышленных противонакипнкх электрических аппаратов для различных условий;

- проведены испытания противонякипной злектрообработки в химической, металлургической промышленности и теплоэнергетике, доказана ее высокая эффективность и возможность перевода охладитель. нкх систем в бессточный режим;

б

- определены технически и экономически целесообразные границу применимости противонакипной электрообработки в системах оборотного водоснабжения;

- на основе результатов исследований организован выпуск проммспенных открытых' и напорных противонакипных электрических аппаратов по заказам предприятий.

Внедрение результатов исследований осуществлялось на Ру-бекансксм химическом заводе "Заря", Макеевском коксохимическом заводе, металлургических комбинатах им. Ильича (г.Мариуполь) и "КрйЕорокстгшь", Белгородском витаминном коибинате и А^рахан-ском газоперерабатывающем заводе.

Апробация. Основное содержание работы представлено и одобрено на Всесоюзных, республиканских и институтских научно-технических конференциях в городах Киеве (1993), Москве (1989), Харькове (1967), Донецке (19ьЗ,19ЫЗ),Робно (19сЮ, 1963),Макеевке (1979-1993). Всего сделано 16 сообщений.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано Щ статей и докладов, получено одно авторское свидетельство.

2. ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, 9 глав, общих выводов, списка литературы из 210 наименований, в том числе: 46 зарубежных. Изложена на 370 страницах машинописного текста, содержаит 37 таблиц, 54 рисунка.

Во введении диссертации обоснована актуальность проблемы: сформулированы цели и задачи исследований, дана общая характеристика работы.

Парная глава посвящена анализу современных представлений о причинах, движущих силах и основных процессах образования накипных отложВЙиЙ! Показана высокая степень вероятности действия электрических сйл при осаждении накипи в теплообменниках.

Во второй главе представлены сведения о путях воздействия электрообработки на Накицеобразования, основных способах и устройствах для противонакипной электрообработки воды.

В третьей главе дана опенка воздействий при противонакипной электрообработке с точки зрения современных теоретических представлений. Выведены зависимости для определения параметров электрообработки.

Четвертая глава посвящена экспериментальной оценке на лабораторных установках влияния отдельных параметров электрообработки на процесс накипеобразованНя в теплообменниках.

3 пятой главе представлены несколько построенных эмпирических сбобцдещх моделей накипеобразования при деЛстЕки олектро-сОработки поды, дана статистическая оценка моделей и возможности их применения для инженерных расчетов.

В шестой главе представлены результаты проваленных испытаний противонакипной олектрообработки воды в химической, металлургической и коксохимической промышленности и в теплоэнергетике. Дан анализ применимости расчетных зависимостей для использования в промышленных условиях.

В седьмой главе приведены данные о работе электродных систем противонакипных электрических аппаратов, их стойкости и долговечности.

Восьмая глава посвящена ^ гсикс влияния электрообработки и фильтрования через насадку из стек, «рраей на интенсивность накипеобразования и биологических обрастаний.

¿з девятой главе приведена обобщенная технико-экономическая опенка проткнонакипной алектрообраС'отки еодь.

3. ГОДаРН/А^ь РАБС'ГЬ.

3,1. Анапиз современных представлений о накипеобразовании

Нагрев, упарйвание и аэрация еодь: б системах оборотного водоснабжения приводят к пересыщению еодь: накипеобразователями и осаждению накипи по стенке теплообменников. Глашки компонентом накипи при температурах ьеды до 70-?5°С является карбонат кальция. Скорост! выделения карбоната кальция зависит от движущей силк процесса. В соответствии с кинетикой химических реакц.ий движущей силой считается абсолютное пересыщение водь:, которому эквивалентен-принятый в литературе по накипеобразованию термин-мгноренный избыток карбоната капышя. Он зависит от щелочности, рН, содержания кальция, температуры и солесодер-кания роды. Достаточно хорокей характеристикой движущей силы является и степень пересыщения воды (кристаллизационный капор), соответствующая предложенному Мак-Коули индексу движущей силн (Д-Р- 3. \

Наиболее обоснованным представляется описание скорости выделения карбоната кальция из воды с помощью уравнения, предложенного Р.Фергюсоном ^

§ = Ле~гг иоль/д.с ■;....■■: (П

где: ^ - скорость выделения карбоната кальция;

А _ фактор частоты, А = Ь, 92-Ю^0 л/моль .'с; ' ' *

Е0- энергия активации процесса, Еа = 14,49 кат/моль;

Р. - универсальная газовая постоянная; кал/град.

... -моль;

Т~ температура воды, СК;

{ос}- мгиовелнкя избыток карбоната начьпш, холь/п;

П - порлдс:: гоакцк;:. В случае ос<г«цекия накипи на чистке стенкк теплообменников величину п предлагается принимать равно;*! I, а при налички ранее осевшей накипи П= 2-2.2.

Прогесс выделения ко воды карбоната кальция обычно считают состоящим из ряда стадий:

- термохимический распад бикарбонатов с образованием карбонат-ионов и молекул диоксида углерода

2НС0- —нагрев^ сс.2- + ^ + ^

- удаление углекислого газа;

- образование ионных ассопиатов Са2ь + СО^"— (Са2+СО^-);

- начальное кристаллообразование с переходом ассо-циатов в молекулы карбоната кальция;

- образование центров кристаллизации (зародышей кристаллов) ;

- рост зародышей с образованием кристаллов и их сростков.

Эти процессы могут протекать как в объеме воды, тая и на стенке теплообменника. Для систем оборотного водоснабжения характерным считается образование кристаллов карбоната кальция в объеме воды с последующим их прикреплением к стенкам теплообменников в виде накипи. При начальном кристаллообразовании и росте зародышей размер частиц карбоната близок к коллоидному. Измерения электрокинетического потенциала показали, что 4 = + (3,4-39,В)мВ. Часть этих микрокристаллов прикрепляется к стенкам теплообменников, оставшиеся части«*» растут в объеме воды и осаждаются в сооружениях для охлаждения воды.

Наиболее вероятной причиной закрепления частиц накипи преимущественно на стенках теплообменников следует считать возникновение разности электрических потенциалов между горячей поверхностью

металла и омывающей ее более холодной водой (термо-э.д.с.). Силы адгезии обратно пропорциональны размеру частиц, а силы гидродинамического сноса пропорциональны кубу размера. Поэтому, с увеличением размеров микрокристаялоЕ карбоната кальция резко уменьшается вероятность их закрепления на стенках теплообменников. Кроме того,

усиление турбулентности может способствовать ускорению выделения *

накипеобразователей в объеме воды за счет увеличения коэффициента диффузии.

Аля количественной оценки процесса накипеобразосания наиболее4 надежным критьрием следует считать прямое измерение интенсивности образования отяокений в теплообменниках весовьм или иным способом.

3.2. Обзор сведений о применении электрообработки воды для подавления накипеобразования

Вероятность электрохимического механизма осаждения накипи и наличие заряда у накипеобразующих частиц породили ыелый ряд устройств и способов, основанных на электрообработке воды, ts зависимости от протекающих при электрообработке процессов все они могут быть разбиты на две группы:

- основанные на воздействии электролиза воды и продуктов электродных реакций (электрохимическое умягчение, электролитическая и электрохимическая коагуляция, электрохимическое подкисление'

- основанные на силовом воздействии электрического поля (электрофорез', электрокоагуляпдя, электрическая активация кристаллизации)Г

Наиболее ранняя работа по использованию электрохимического умягчения для снижения накипеобразования принадлежит Фархадову A.A. Метод, однако, требовал высоких энергозатрат, что не способствовало его распространению. Более рациональны устройства, изменяющие

свойства частиц накипи таким образом, что они не могут уже прикрепляться к стенкам теплообменников. Типичным представителем этого ряда, является устройство, предложенное в СМ $.Йгпаис1. Оно представляет собой пакет плоских металлических электродов, на которые подается постоянный ток напряжением от 0,7 до 10 В. Вся циркулирующая вода Пропускается между электродами, но заметь ного электрохимического умягчения не происходит, только тормозится рост кристаллов и их агломерация. Но такое объяснение противоречив теории, которая утверждает< что с уменьшением размеров частиц силы адгезии к стеНкам увеличиваются.

Значительное количество подобных устройств и способов предложено во Франции и Японии. Основным элементом здесь являются плоские или цилиндрические электроды, на которые подается постоянный или пульсирующий ток. Величина тока должна обеспечивать такое Изменение свойств накипеобразующих частиц или показателей качества воды, что осаждение накипи в теплообменниках подавляется. Однако, каких-либо зависимостей; связывающих эффективность противонакипного действия с параметра!,«! тока и качеством воды" не п^длагается.

При силовом воздействии поля без протекания электролиза происходит поляризация частиц, ускоряется кристаллизация :.■ и агломерация накипи в объеме воды. Во многих разработках предлагается использовать систему плоских, а чаще цилиндрических электродов, поверхность которых изолирована от воды различными покрытиями-стеклом, пластиком. На электроды подается высокое (0,1-10 кВ) постоянное или переменное напряжение. Обрабатываемая вода пропускается между электродами и под действием поля накипеобразующие частицы теряют способность прикрепляться к стенкам теплообменников. В какой-то мере данный вид электрообработки можно считать подобным магнитной обработке. Эффективность

воздействия поля, по сведениям авторов, достаточно высока, но никаких'чсонкретшх ци(|р и зависимостей для ее оценки не приводится. Неясно, как, вообще, накипеобразователи выводятся из воды. Более перспективной и надежном представляется электрообработка постоянным током, сопроБокдаюшаяся электролизом воды и осаждением накипи на электродах,

е

Значительные разногласия в конструкциях и параметрах устройств к способов электрообработки, объяснении механизма их воздействия и эффективности, вняЕилинеобходимость всесторонней экспериментальной и теоретической оценки противонакипиой электрообработки, создания надежного научного обоснования инженерных аспектов процесса.

3.3. Оценка противонакипиой электрообработки постоянным током с течки зрения современных теоретических представлений

Электрообработка воды постоянным током в действующих системах оборотного водоснабжения приводит к наложению электролиза воды на термохимические процессы и явления массопередачи. При электролизе воды на электродах протекают следующие реакции: на катоде

2Н20 + 2е- —- Н21 + 2С1Г, основная реакция: (>2 + + 4е~—4СН~, побочная реакция;

на нерастворимых (инертных) анодах-

21^0 - 46"— С>2 + 4Н+1 основная рсалшч;

- 26"-»- С?! , тбочная реакция

На графитовых и ферросилидовых анодах могут протекать процессу, разрушения материала электродов

С + С«>-СО2

Ре - 2е" —*-

В любом случае прканодное пространство характеризуется повышенной концентрацией Ионов Н+, а прикатодное - ионов ОН".

Циркулирующая вода, вследствие ранее опксаянкх термохимических процессов, представляет собой стсжуа нестабильную систему, пересыщенную карбонатом кальция. Ъ прканодном пространстве поток ионов Н+ от электрода действует аналогично подгниле-нкэ, способствует распаду зародшей и центров кристаллизации карбоната кальция. В прлуатодном пространстве поток ионов Ой" способствует увеличению пересыщения воды карбонатом каль.,кя, появлению центров кристаллизации и ускорению его выделения в виде относительно крупных агрегатов частично в объеме воды, частично на поверхности электрода. Оба электродных процесса приводят к снижению вероятности осаждения вторичной накипи л теплообменниках. Наг, чие электрического поля ускоряет передвижение ионов и частиц и усиливает действие электродных процессов.- З^-фектиЕность снижения накипе-обраэования зависит от величины тока электролиза.

Определение необходимого для подавления накипеобразования тока может быть выполнено на базе различных подходов к механизму действия электрообработки. Удобнее при этом определять не сам ток, а расход электричества на единицу объема добавочной воды (дозу электричества).

Подкислительный подход основан на снижении накипеобразования за счет электрохимического подкисления при пропускании циркулирующей воды через анодную зону диа^рагменного электролизера. Доза электричества в этом случае определяется по формуле: Ээ=2 А-ч/^з (2)

Ээ= 2.6,9 ди > А~ч/„г (2А)

здесь Зкс- доза кислоты для стабилизации воды по СНиП 2.С4.02-о4. '

Коагулдциснннй подход аналогичен, обычно?, реогентной коагуляции . Счу.тается, что находящееся в коллоидно-дисперсном состоянии положу.1:ель-нс заряженные частицы карбоната кальиия под дей-сгьием потока конов СЬ~ в катодном пространстве коагулируют и образуют относительно крупные агрегаты, не способные прикрепляться к стенкам теплообменников. Доза электричества пропорциональна содержания части-.; капбоната кальцин й- воде

а5=к;1хг°'25^) А.ч/мз о)

здесь К,'- коэффициент* зависящий от к.п.д. электрохимического процесса и константы скорости реакции выделения карбоната кальция из воды. Умягчительнкй подход основан на электрохимическом снижении карбонатной жесткости добавочной воды до требований СНиП 2.04.02-84 В этом случае доза электричества

д3 = £б,в(Ж^.до), Л-ф (4)

где карбонатная жесткость подпиточной воды, г-экв/м3;

Ка " коэффициент упариЕания воды в оборотной системе. Кристаллизационный Подход базируется на активации процесса кристаллизации карбоната кальция за счет воздействия электрической энергии. Доза электричества может определяться по двум ■формулам

либо

■■■-, А-^ (5)

здесь: Ц - напряжение между электродами, В;

- к.п.д.процесса электролиза,%;

(>о- подпитка оборотной системыД;

tlPCnCDi - произведение растворимости карбоната каякам; fj - коэффи иент активности дъухваленжлс коков;

концентрация коноэ калъ.;;«: в добавочной воде, г-экв/м

При злектрофоретическол; подходе энергия электрического поля должна обеспечить сближение и столкновение ионов кальция и карбоната с последующим образованием и выделением из воды карбоната кальция, дозу электричества предлагается определять по формуле:

1 4 -(QQ л и/ .

' "оГ^ 1 м1 !б)

где: р - удельное сопротивление обрабатываемой воды, ом см Э" - продолжительность электрообработки, cj Qj.- отношение расхода циркулирующей воды к площади

электродов (гидравлическая нагрузка на электроды) м3/м ч.

В реальных условиях электрообработки оборотной воды возможно одновременное сочетание различных электрохимических явлений и эмпирическая зависимость дозы электричества от параметров воды не обязательно будет отвечать одному какому-либо подходу.

3.4. Экспериментальная-оценка влияния отдельных параметров воды и электрообработки на процесс накипеобразования в лабораторных условиях

Лабораторные исследования проводились на отдельном стенде, представляющем собой анаяог системы оборотного водоснабжения. Циркуляшя и аэрация воды обеспечивалась эрлифтом, охлаждение протекало,кроме того, в открытом резервуаре оборотной системы. Теплообменники представляли собой две трубки диаметром В мм и длиной 150 мм, из нержавеющей стали, погруженные в колбу с дистиллированной водой. Колба устанавливалась на электропечи. Скорость, циркуляции воды через трубки и резервуар оборотной системы

могла регулироваться б пределах 0,1-0,2 м/с. Перепад температур между нагретой и охлажденной водой составлял 1-3°С. Температура ведь- в оборотной системе могла регулироваться до 72-73°С, температура -водь: з колбе с дистиллятом была при этом выше на 25~26°С. Для электрообработки воды в циркуляционном контуре устанавливались электроды, ток подавался от блока питания. Аноды обычно были графитовые, катодк-стальнке. Количество накипи оценивалось взвешиванием трубок, длительность опытов, в зависимости от пели, принималась от 1 до 55 суток.

' иоздействие различных видов электрического тока на накипе-образование изучалось в серии поисковых исследований, и получены следующие.величины снижения .количества накипи в теплообменниках: - обработка воды постоянным током от выпрямителя, сглаженным на .( L - С !> фипьтре-92%;

- обработка постоянным током от однополунериодного выпрямителя - 77?ь;

- обработка еоды выпрямленным током с импульсами синусоидальной формы, частотой I кГц - 2<Й;

- то же, частотой 10 кГц - 3%\

- то же частотой ICO кГц - увеличение накипи на 21%\

- выпрямленный ток с импульсами треугольной формы частотой I кГц-увеличение накипи на 15$;

- то же, частотой 10 кГц - увеличение накипи на 9%;

- то же частотой 100 кГц - 7%;

- переменный ток частотой 50 Гц -.49$.'

• : Электрообработка воды постоянным током обеспечивает наи- ■ ■ больший эффект снижения накипеобразования что соответствует теоретическим выкладкам. Согласно им, электрокоагуляция частиц накипи возможна при относительно небольших частотах поля, порядка до 60 Гц. Результаты опытов свидетельствуют з пользу электро-

коаг.уляцкснного механизма сют.енкп накхпзебраэс 5о>:ия. о дальнейшем все от.тм про роди тись пр;: ?легтрссбр,збстге род»: поотсянк-лгл тоном,

йлвяние электродных процессов слиига-с« раздельным пропусканием через теплообменнику, шю-;::а и катслига. Э^ект снгления накипеобразокаииз при этом оказался практически одинаков:.»!.

Гктересные закономерности екявг.-ись при использования сетча-тьх электродов, расположениях поперек потока воды. Если ¡циркулирующая вода сначала прэходя-а через катод, а затем анод, то эффективность снижения накияеобразования была на 9-10;? вк?е, чем при пропускании воды ме.;кду плоскопарачлздьнь'ыи электродами при одних и тех же параметрах тока, х! случае ;ке прохода скачала через анод, а потом катод, отмечалось нэ снижение, а увеличение накипеобразования в теачообмешдаках. Объясняется первое явление тем, что в прикатоднсм пространстве происходит агломерация частиц карбоната кальция, которые ухе не распадаются под действием электрохимического подкисления в прианоднсм пространстве. Здесь распадаатся только оставшиеся мельчаЯпше зароднжи, которые могли_ бн освящаться на стенки теплообменников. Во втором же случае сначала в прианодном пространстве распадаются имеющиеся мпкрокристаллы, а затем в прикатоднсм пространстве' снова возникают дате в большом количестве эти микрокристачлы, которые прикипают к тепло-обменным поверхностям.

Из параметров электрообработки постоянным током наибольшее влияние на какипеобразование сжазырает доза электричестра в расчета на циркулирующую ( ) или добапочную воду ( д} ):

- - ±±- - X

К, - Ос6 - йг '

гд.и 3 - то-а. ллег^цсобрцосткц, А:

X .- а раб:':;: осоцсной систем!.', час;

^д-,' с.э - с'л.омы сборот .-.о;5: у. .добаг. очной ¿оды соответственно,

::: Шсдчпе за 'Г через м&кзлектродьоо про стран-

сл : с , м';

Ос», ^«оь _ оборотной и добавочно? воды ь оборотной

си от е. ?.:"7ч: и - плс'гнзс.ть тока злектрообработки, А/м ;

О/ , а, ( - г нагрузки на электроды соответствен-

но то оборотной кли добавочной веде, м3/к'гч.

С»чв*.у,«к>, что 2лу.як'/,е дс;я: электричества проявляется через В'г/.мние пг.э1йссгй тока гидравлической-Нагрузки. и ряде публика. сообщалось, что количество накипи в теплообменниках обратно пропер./.онап.ьо плотности тока и прямо пропорционально гидравли-чес;;ом нагрузке. Однако, экспериментальные данные свидетельствуют о более стенной характере связи между накипеобразованием и дозой электричества (рис.Р. Она достаточно хороао описывается степенной гагисимосты; вида

д3-го = -[о,5(у-го)]5 (7)

Стктис.-кческая опенка по величине корреляционного отношения показала, что данная функция обеспечивает более эффективное списание результатов, чем зависимости типа д — / (у ) или

График функции (7) нанесен на рис Л в виде кривой. Вполне очевидно его подобие типичной коаг.уляционной кривой при реагент-ном удалении из воды взвешенных веществ, порог коагуляции находится около 20 А-ч/м'\

Результаты опытов при температуре циркуля:'.ионной воды 35° и 70°С дали аналогичные результаты (рис.2) ..Уравнения кривых I и 2 имеют следуюш,ий вид:

сг

о

■V -------------------

а с. V \ ■

а \ . \. \

а. СС с V \» ——__ .9......... Осч-

I

«СУ

о

Си

с:

Ш

а

5 ч

к

о с?

О.

Ш

за

Лаза электричества,. д3%

ю

о и

Рис.1. Зависимость скорости нагап^обрэдпранчя от при температуре воды 55^'С

3Э~Ю=- (д-2)5 при 1 = 351 Ээ-!2 = -[о15(д-4)3'' при 1 = 70'

70°'

о

(в)

(9)

1шдао утверждать, что основой противонакипного действия электрообработки служит коагуляция частиц карбоната кальция, на-

ходящихся в коллоидно-дисперсном состоянии в объеме оборотной воды Агломерация частиц резко•снижает та способность к адгезии к стенкам теплообменников.

Седимента:-ионными измерениями с помощью торсионных весов установлено, что в отсутствии электрсобработки циркулирующая вода содержит полидисперсную взвесь накипеобразугощих частиц. Из них около- 50Й составляют частицы размером более 13/'м ,порядка 30%-частицн размером от 7 до 13, оставшиеся частицы имеют размеры менее . После электрообработки вода практически не содержала частиц размером менее П^м. Таким образом, электрообработка привела к исчезновению мелких частиц.

Заметное влияние на накипеобразование оказывала к темпера- ■ тура воды. Минимальная скорость какипеобразования наблюдалась при температуре 35°, максимальная при 55°, а при 70° она была средней между этими двумя значениями. Обработка данных позволила получить математическое отражение этой закономерности в двух эквивалентных вариантах:

где I -температура циркулирующей воды,°С.

Кстати, наличие одного или нескольких эксремумов в подобных зависимостях соответствует теории роста кристаллов.

Во времени ме количество накипи в теплообменниках изменялось по следующим закономерностям:

- по линейному закону в относительно кратковременных опытах (до "10-15 суток);

либо

(10>

(юл;

tfyjti <£ *шщоШФШМШН VIJÜOGXJ

j

- по ¿-образной кривой с постепенным затуханием в опытах длительность» до 55 суток;

- по параболическому закону с постепенным затуханием в опытах длительностью Солее ЪЪ суток,

3.5. Построение эмпирической обобщающей зависимости между ншсигГеобразованием, параметрами качества воды и характеристиками электрообработки

Полученные оценки факторов позволили перейти к построению более общей модели накипеобразования при действии электрообработки.

ПерЕая такая модель была получена с'помощью планирования экспериментов. В качестве параметра оптимизации (У ) принята скорость накипеобразования, в качестве факторов: а(-плотность тока электрообработки, хг~площадь электродов,' эс^-карбонатная жесткость воды, х-температура воды. Уравнение регрессии имело вид

+ (II)

г/

-^[ссгГз -о,в'хгХ1, + ^озяух*, ~о,дх,лггдч 5 Г/мгат ■

Данное уравнение адекватно описывает результаты опытов при из-

2

менении плотности тока в пределах 2-10 А/м , гидравлической на-

з 2

грузки на электроды от 20 до 40 м /и ч, карбонатной жесткости воды от 3 до 6 мг-экв/л, температуры воды от 35 до 55°С. Модель имеет нелинейный характер, поскольку значимы коэффициенты регрессии при взаимодействиях факторов. Однако уравнение (II) может считаться лишь интерполяционной формулой, поскольку здесь не отражается механизм действия .электрообработки, теоретические положения кинетики накипеобразования. '.--..''•'

Вторую модель поэтому было решено построить, задаваясь видом связи между факторами на базе теоретических положений,'высказанных- в- предыдущих .разделах.' Результаты 212 опытов на наки-

пеобразованига при различных значениях факторов подвергнуты компьютерно"! статистической обработке и получено уравнение множественной регрессии*. „ ,

е'т (12)

Здесь -объемная скорость выделения Накипи. £|2= ^

где 9 - масса накипи в трубках-теплообменниках, осевшая

за время X .Статистическая оценка адекватности уравнения (12) производилась по Г -критерию, расчетное значение оказалось равным 0,92; а табличное 1,26. Данная модель адекватно отображает результаты опытов. Показатель степени при мгновенном избытке карбоната кальция равен 1,3, что свидетельствует о переходном хзарактере процесса кристаллизации от реакции первого порядка к реакции второго порядка. Это связано с тем, что поверхность тепюобменнинов перед каждым опытом очищалась от накипи. До образования на ней зародышей кристаллов процесс выделения накипи подчиняется уравнению кинетики первого порядка, а после - второго. Повышение температуры приводит( в соответствии уравнением (12), к снижению объемной скорости ' Накипеобразования. Относительно небольшими оказались коэффициенты при дозе электричества и времени, модель слабо отражает влияние данных факторов на накипеобразование. Формула (12), вследствие этого, дает большие отклонения расчетных значений накипеобразования от экспериментальных, особенно при небольшой длительности опытов. Кроме того, требуемые для подавления накипеобразования дозы электричества получаются завышенными. Необходимо изыскание более приемлемых зависимостей, которые могли бы стать базой для инженерных расчетов противонаншшой отектро-обработки.

Вообще, основной интерес в расчетах представляет доза Электричества, обеспечивающая подавление пли снижение до при-

( ! f Í i t И

«к

\ s V V. и >4 «

0 \ \ \ 0 3 fc. h ü к * и А

Ii 0 л u b 1 0 .ö B V, \ ью У о 0 с

СЛ Ч1 ч. t> \ Ч \

I

s &

Сэ

Ö щ

£

a

<4

В

CJ

p> to

О «3

СП «3"

ез

CNJ

О СП

Oí

S

<3

§

£

§

5с

S

-ч.

I

CS

5:

о

и С.

* ¡3

«J _ « tí. и

£ S ti CJ

£ Й

irrt P<

С)

И

о t<

p, и

ts tí

ей f

CQ

C! Cj

C'J

'uÇiJdhridiïiàvç bwg tíDH±ntiw£

ещемой величины накипеобразосайие. Ее можно иазьать защитной дозой

2 за 1ц, . „ '

электричества оз . ,цля определения этой дозы из общего массива

экспериментальных данных были выделены результаты опытов, в которых обт^емная скорость накипеобразования оказапась менее 0,Ь г/мэ сут. Полученные точки нанесены на график в координатах: мгновенный избыток карбоната кальция - доза электричества (защитная). Данный график для температуры воды 55° приведен на рис.3. Экспериментальные точки отчетливо разбились на два блока, для длительности опытов до 30 суток в верхней чарти графика и для длительности опытов 55 суток в нижней части графика. В относительно кратковременных опытах (до Зи суток) связь между [х] 'И Э|Л'4 может быть практически с одинаковым успехом отображена п виде квадратичной (линия I) или линейной С.тишш 2} гас-псикосгп. Однако в длительных опытах связь несомненна блкг.е квадратично Л. Это вновь подтверждает переход от реакции первого порядка к реакции второго порядка по мере закрытия поверхности теплообменников накипью. Естественно, что б производственных условиях теплообменники работают в длительном режиме и зависимость тогда следует принимать квадратичную. Обработка данных позволила получить счедующие формулы:

- дл>; кратко времени« опытов (линия I)

ЗзЩ = 4.5 /[^По? , (13)

- для длительных опытов (линия 3)

д1Щ =0^6 А-ч/мз ' (14)

Отметим, что в длительных опытах зашгная доза электричества нкт.е, чем в кратко временных более чем в 10 раз. Также длительные опыты дали меньший разброс результатов. По гнетшему Риду формулы (13) и (14) напоминают зависимость дот-: коагулянта от мутности или цветности воды. Концентрация взвеси накипеоб-рачугашх частиц в годе, рп."у:.:еется, не равна мгногенному илбь-тку но, несомненно, ксррелиропана с ним.

'Рис.4. Зависимость защитной дозы электричества ст мгновенного избытка карбоната кальция при температуре 70ПС

Параболический характер связи между мгновенным избытком карбоната кап о ..ия и защитной дозой электричества становится более заметным в результатах опытов при температуре воды 70° (рис.4). Длительность опытов составляла от 15 до 27 с.уток, '. разброс данных .довольно велик,но характер связи прослеживается ,, достаточно убедительно. Опять наибольшие отклонения дали кратковременные опыты (до 16 суток'*, которые сгруппировались в верхней части графика с заметным отрывом от остального массива данных (4 точки).

Связь между величиной мгновенного избытка карбоната кальция и защитной дозой электричества можно отобразить в виде формулы:

ЗГ^Зг/Щпо7, А-ч/и1 (153

Отметим, что здесь защитные дозы электричества несколько меньше, чем в кратковременных опытах при темпер:.дуре 55° (формула 13).

Теперь, для получения более обцей зависимости формулы (13-151 необходимо объединить и ешо ввести влияние температуры воды из ранее найденных закономерностей (формула 10 или '1(Ш. В результате такой.операции получена формула для условий длительной эксплуатации протиконакипной электрообработки в системах оборотного водоснабжения

■Ээ =0,006[осГ5е , А-ч/мз (16)

6 случае же необходимости отображения общей связи между накипе-образованием, дозой электричества и температурой, можно воспользоваться зависимостью, объединяющей формулы (6-10).

Формула (17) представляет собой третьи моцель связи между параметрами п условиях' электросбработки. Задавшись допустимой скоростью накипеобразования ^(-¡^57) и температурой воды в оборотной системе можно найти необходимую для подавления на:-'ипеобразог!ония дозу электричостпа.

2в

Для обработки вод в начальный период эксплуатации защитную

дозу электричества можно найти по фоомуле: -.злах г 10,5„o,чt-o,pотetг ,

э] ^=о,о?[ос] е -(1-0,051.), а-ч/М5 (гы

Проверка адекватности формулы (1С) - критерию показал, что расчетное значение г.уитерия составило 0,Ь5, а-.табличное 1,53 при уроане значимости 0,05. Урапненке (1Ь' рдекпатнэ отображает результаты спыто!>, а значительная разница между расчетным и табличным значениями критерия указывает на более качественную аппроксимацию экспериментальны данккх, чем уравнением (12). Хотя все эти формулы, строго го горя, справедливы только для условий лабораторной установки, они досгатс^ко четко отражают качественные взаимосвязи между факторами в оборотных: системах. Формулы (13-Ю) по внешнему виду подобны формуле (3), отражапцей коагуляционный подход ц механизму действия.

Непосредственное использование формул (13-18) для практических расчетов нежелательно без ввода коэффициентов перехода от лабораторных условий к производственным.

Интересно сравнить расчетные дозы электричества для подавления накипеобразовакия по разным формулам на конкретном примере. Для оборотной системы производительностью 1000 м3/ч величиной подпитки 5Й, температуре 35°С, -Щ?= 6 мг-окв/л, Са1=5 мг-экв/л, рН=В,35, солесодер:кание 800 мг/л, и величина мгновенного избытка карбоната кальция [зс] =1,36' 10"^ моль/л получим следующие величины доз электричества:

по формуле (И) Э3= 4 А-ч/м3 (при I =10 А/м2, ^=50 м3/м2ч);

по формуле (12) Ээ=4У,3 А-ч/м3 (при Т =10 сут);

9,= 10,5 А-ч/м3 (при X =30 сут); по формуле (16) 1,02 А-ч/ьР (приГ>30 сут);

по ф-ормуле (ГО) = £,0 А-ч/м3 (приТ ¿\30 сут, I =10 А/мЙ )

Очевидно, что в начальный период электрообработки требуются повышенные дозы электричества. При увеличении срока работы требуемые дозы по формуле (12) постепенно приближаются к дозам по формулам (II), (1о) и (1Ы, Формула же (12) дает средние величины доз электричества для подавления накипеобразования. Конкретный выбор доз электричества зависит от допустимости образования каких-либо количеств накипи на поверхности теплообменников. Следует иметь в виду, что наличие тонкого слоя накипи в значительной мере снижает опасность коррозии оборудования.

Для перехода от скорости.накипеобразования в лабораторной

установке (<^мб) к'скорости накипеобразования в промышленных (9<ч><>")

услоЕияхуТфп одинаковом составе воды и материале теплообменников можно использовать выведенное соотношение.

а _с ■ (и)

где и- средние скорости течения в теплообменниках,м/с; 1- радиусы трубок в теплообменниках, м; е- гысста выступов шероховатости в трубках , м; 1))- гидравлические нагрузки на единицу площади теплообменников по расходу добарочной волы, м>5/м^ч. Данное соотношение позволяет учесть различие условий диффузии накипеобрапуюцих чястии к стенкам теплообменников и различие. гидравлических нагрузок по добавочной воде.

о.С. Результаты пром>:!!'пгнш х испытаний

. Промышленные испытания лротиг.Оиакипной элпктросбработки пригодились на предприятиях химической, металлургической и коксохимической промышленности, а также теплоэнергетике. Условия в оборотных системах этих предприятий весьма различны, что поз-Рочпет получить поста точно разностороннюю оценку кетоца. Параметр»,- электрообработки рассчитывались на базе результатов на-

б о р а? с рнкх ксследог а н и •?..

Различие условий потребовало разработки нескольких ехе;.' протпаонак>шнг!х аппаратов: безнапоркь-х, иапорш-ос, с графитовкми или А ерросипидовыми анодами. Ь комплект промышленного аппарата входит электродная система и источник постоянного тона, в качестве источника тока использовались стандар■••--•е выпрямители типа аСА, БАК, rfAKP, КСС. АРТЗ и ".д. Мощность выпрямителя зависела от требуемой величины тока электрообработки.

Схема электродной системы безнапорного протизонакипного аппарата приведена на рйс.5. Электроды закреплены в раме I из металлических уголков; к которой приварены катоды 2 из листовой стали. Графитовые аноды 3 изолированы от рамы прокладками из резины или Пластика. На электроды подавался постоянный ток от выпрямителя. По суги аппарат представлял собой электролизер с монополярным соединением электрод'бв. Размещался он либо в резервуарах градирен {рис.6), либо в аванкамерах циркуляционных насосов. Площадь электродов и количество аппаратов зависели от производительности оборотной системы и требуемого тока электрообработки. Обязательными условиями было.пропускание всей циркулирующей воды через противонакипной аппарат .Напорные аппараты представляли собой закрытую стальную емкость, в которой установлена электродная система.

В химической промышленности наиболее длительные испытания проведены на химзаводе "Заря" в г.Рубежное в двух оборотных системах.

В оборотном цикле производительностью 550 м3/ч был смон-

*

тирован в резервуаре вентиляторной градирни противонакипной.ап-

2 2 парат с площадью катодов 20 м , а графитовых анодов 5 м . Под-

питочная вода имела следующие показатели: Щ = 3,1-6,0 мг-экв/л;

Жо=5,2-15,0 мг-экв/л; S0*=IIö-2I9 мг/л; C«=39-470 мг/л; соле-

содерканиь Р = 600-1100 мг/л; pH =6,9-8,4. Оборотная вода

Pite,5. Охс"л !>л«*»тролюЯ систег» беяиатрного прсято-ияптипго электрического аппарата

Оглаизъемое odbpypbSaf/cre

уК

ГТТП

■ Градирня

-ш

т

Подпитка

Пр о г и Sa някиннаи ü п парат

тис. С. Схема раямочания олвктр^яноР систекч противо-лакклнэго .апнапата п оборотном цтч'ло

характеризуется следующими значениями показателей: Щ = 1,5-4,5 мг-экв/л, Жо=?,2-19,0 мг-эке/л, 50^137--4Ю мг/л; Се =39-495 мг/л. солесодер-гание 65С-15С0 мг/л, рН=7,75-9,1. 1ымпература оборотной водь: колебалась в. пределах 25-35°С, величина мгновенного избытка [х] =2,7 1С-'" - 9,4 1С ' моль/л. Подпитка оборотной системы в среднем составляла 14 м''/ч (2,Ьц-. 'о применения электрообработки б теплообменниках интенсивно осаждалась накипь, что вынуждало подвергать их механической очистки 2 раза в год. Величина тока электрообработки поддерживалась равной £6А в течение 3 месяцев Вскрытие и очистка теплообменников показало, что накипе-образоЕание снизилось на ь2"\ После этого величина тока была увеличена до 64А и через 40 суток теплообменники снова были вскрыты, накипь в них полностью отсутствовала. Толщина отложений на поверхности катодов составляла около I см. После этого установка включена в постоянную эксплуатацию.

В другом оборотном цикле химзавода производительность составляла 900 м3/ч, подпитка 35 м3/ч (4!?). Показатели качества подпил* очной и оборотней воды были близки к виц епри в еденным.

В резервуаре градирни были смонтированы 2 противонакипных аппа-а

рата, атлетичных вышеописанному, только площади .анодов в катдом

р

аппарате упеличины до 10 м . Величина тока поддерживалась равной 130 А в течение 5 месяцев, напряжение на щите выпрямителя колебалось в пределах 8-9 В.Вскрытие теплообменников показало, практически полное отсутствие накипи, имелся только тонкий налет грязи. По окончании испытаний противонакипные аппараты были . включены в постоянную эксплуатации, опыт которой показал необходимость замены графитовых анидов каждые 2 года, о очистка поверхности катодов требуется ежегодно. Кроме того, отмечено полное отсутствие биообрастаний в оборотных циклах с ошегро-обработкой. ■

На Белгородском витаминном комбинате в оборотном цикле про-

13водите*льностыо IbUO м'/ч бкпи смонтированы два противонакипных

? 2 аппарата с площадями катодов по 30 м'~, а анодов- I& м .Показатели

<ачества ьоды были близки к воде хпмзавола "Заря". Аппараты смонтированы в аванкамере циркуля!¡ионной насосной станнии,величина ?ока злектрообработки оЬА. оскрктие и очистка теплообменников юсле 1 года испытаний показали снижение накипеобразования на 90?.

На Макеевском коксохимзаводе испытания были проведены в эборотном цикле охлаждения коксоеого газа. Производительность оборотной системы 4200 мл/ч, подпитка ЬО м3/ч, температура ыирку-шрующей воды летом доходит до 45°С. Подпитка производилась водой

13 каната Сев.Донец-Донбасс. В резервуаре градирни были смонтиро-

2

эанн два .противонакипнмх аппарата с глошадями катодов по 42 м , анодов по 20 м^. Испытания длились (: меся-еп, величина тока олектрО• обработки поддерживалась около ПОЛ. По результатам вскрытия 1 очистки теплообменников эффективность противонакипной электро-збработки оказалась близкой к 95ц.

Испытания в металлургическоЧ промышленности проводились как з "чистых" - пак и"грязных" оборотных цикл;« на комбинатах им. 1пьича (г.Мариуполь) и "Приворожстапь" .Ь чистом оборотном цикл о (омпрессорной станции на комбинате Ильича расход воДн составлял [120 м3/ч, подпитка 10В м3/ч. Подлиточная и оборотная вода харак-геризувтея довольно высокими величинами щелочности и жесткости: 4дсб = 4,0-4,7 мг-зкв/л, Щоб = 3-5 мг-экв/л, Ждоб =16-19 мг-экв/ч. \ об.= 14-17 мг-зкв/л, величина мгновенного избытка доходит до 1'10 моль/л. ь оборотном цикле быт,смонтирован противонакипной шпарат с площадью катодов 30 м^, величина тока в течение 12 меся iee испытаний поддерживалась около 75А. Такая величина тока >ыла явно недостаточна, однако большего размера было невозможно шпараты смонтировать. Эффективность противонакипного действия иектрообработки оказатась близкой к. 70%.

Испытания в чистом оборотном цикле кислородного иеха комбината "Криворожсталь" длилась 6 месяцев. Производительность оборотного 1{икла составляла 16 ткс.м'3/ч, подпитка ЦОС м°/ч (6,9$), подпилочная вода имела Щ = 2,3-3,8 мг-экв/л, солесодержание 270-ЗЬС мг/л, оборотная вода Щ = 3-3,9 мг-экв/л, Жо = 3,6-7,3 мг-экв/л, соле-содеркание 2У5-555 мг/л, рН = В,2-В,7,мгновенный избыток [¿с] =2,69

С

10 ° - 9,37-10 моль/л. В резервуарах бааеннь'.х градирен были смонтированы 8 противонакипных аппаратов с площадью электродов по 30 м (катоды).Однако в испытаниях работали только 6 аппаратов в связи с ремонтом одной из градирен. Ток электрообработки составлял 300А, что почти в 3 раза меньае расчетного, однако из-за недостаточной мощности источников постоянного тока увеличить ток оказалось невозможным. Испытания длились С месяцев, вскрытие и очистка теплообменников показали эффективность снижения накипе-образования в теплообменниках около 55%.

Испытания в."грязном" оборотном цикле проводились в системе оборотного водоснабжения газоочисток мартеновского цеха комбината им.Ильича. Расход оборотной воды 560 м3/ч, подпиточной - около

о .

100 м /ч. Оборотная вода характеризуется следующими показателями Що=2,5-6,4 мг-экв/л, Жо=18,5-2б,0 мг-экв/л, .солесодержание 3460-4910 мг/л , рН=9,8-11,0. взвешенные вещества (после отстойников 15-20 мг/л, температура 18-2В°С. В аванкамере циркуляционной насосной станции после отстойников был смонтирован противонакипной аппарат с площадью катодов 20 м , величина тока поддерживалась 50А, что несколько меньше расчетной величины. Испытания длились 3-месяца, эффективность противонакипного действия оценивалась с помощью индикаторных трубок и составила 87,6%. В аппарате быстро накапливается слой отложений на катоде, что требовало ежемесячной чистки катодов механическими скребками.

ь теплоэнергетике испытания проводились на теплоэлектроцентрали в оборотном цикле охлаждения конденсаторов. Расход оборотной воды окало 1200 мэ/ч, подпиточной I5G-I90 мэ/ч. Средние показатели качества оборотной воды: Що=0,77 мг-экв/л, Яо»1Ь,б мг-экв/п, сухой остаток .' I9CG мг/л, рН=Ь,Ю. ß подпиточной воде отмечено значительное содержание органическох веществ и до -I мг/л железа.

ó оборотной системе смонтированы ". 2 противонакипных аппарата

о

с площадью катодов по 12 м . Ток электрообработки поддерживался около 80А, что соответствовало расчетному значению. Общая длительность испытаний составила Ь меясце'в,вскрытие и очистка конденсаторов после испытаний показали полное отсутствие накипи и биообрастаний (эффект ЮС;»1.

Ь ходе всех испытаний контролировались показатели качества воды до и после аппаратов. Снижение жесткости и щелочности обычно не превышали 2-Ь%, величина pH практически не-менялась.

Результаты промшленных испытаний полностью подтвердили закономерности, полученные в лабораторных условиях и высокую эффективность- противонакипной электрообработки.

3.7. Изучение особенностей работы электродов противонакипных аппаратов I

В результате электродных процессов на катоде обычно образуются отложения и выделяется водород, на аноде-выделяется кислород,, идет "холодное" горение графита и растворение ферросилидо-вых анодов. Эти явления изучались в лабораторных и производственны?: условиях

•Установлено, что количество катодных отложений возрастает с ростом температуры воды и ростом дозы электричества. Колеблется оно в пределах Ш-250 г/м* сут. Зависимость количества отложений

от плотности тока имеет вид кривой с максимумом в районе плотност; 2

тока 5-10 А/м .причем максимум имеет более ярко выраженный характер при температуре 55°,при более низких температурах максимум

о

размыт в пределах плотностей тока Ь-12 А/м .

Во времени при длительности опытов до 55 суток отложения на катоде растут практически по линейному закону и их толщина достигает через 50 суток 2,5 мм.Установлено, что на поверхности катодов осаждается от 5 до 26% всей массы выделяющегося карбоната кальция. Состав отложений практически идентичен составу накипи ь теплообменниках, однако при повышении плотности тока возрастает содержание .магния. Отношения имеют зернистый характер и относительно слабо сцеплены с поверхностью катода. При достижении толщины порядка 5-10 мм большая часть отложений отслаивается и осыпается с поверхности электрода.

Графитовые аноды постепенно разрушаются продуктами электролиза. Электрохимический"! эквивалент графита пропорционален плотности тока и по данным лабораторных и промышленных испытаний составляет 75У-1200 т/к- год. Срок работы графитового анода для

хлорной промышленности в промышленных аппаратах при плотности 2

тока до 10 А/м обычно составляет 2 года.

Ферросилидовые аноде показали большую стойкость, электрохимический эквивалент при повышении плотности тока от 7,5 до В4А/м2

увеличился от 18,9 до 208,2 г/А-год. Однако, при одних и тех же дозах электричества ферросияидовые аноды обеспечивают противо-накипной эффект на 15-20% меньший,чем при использовании графто-вых анодов. Это связано с попаданием в воду железа при разрушении анода.

Изучение газовыделения на электродах показало, что выделение водорода н а стальном катоде протекает с к.п.д. близким к 100%, на графитовом аноде гаэбвыделение заметно только в первые 1-2 часа работы, затем вообще исчезает.Видимо, практически весь вы-

деяяющиЯся кис пород идет на окисление гранита. Хшанализн водь-не устакопипи ы/де пение хлора на гранитовом аноде.

З.и. Влияние електрообработки на биообрастания и коррозию в оборотных системах

Лабораторные и промкаденны« испытания показали, что электрообработка способствует снижению биообрастаниЯ в оборотное сис- ' темах даже при подпитке • икпо&очищенными проыьшекньш сроками. Опкты со стекляннкки "ловчими" пластинками в лабораторной установке дачи снижение массы биообрастаний при электрообрабстке на 2СЙ. В прсмыл'теннкх условиях при злектрообработке водь' вообще не наблюдаюсь обрастаний градире» водорослями, а на поверхности рамы протизонакипного аппарата наблюдаюсь скопление ПОГИбзИХ РЭДШОС ОргаНИРКОЕ.

Сочетание ольктросбрабсткв с 'ильтрагней через насадку в рице "ераеЯ" из стекловолокон позволяет довести стгкенке массы биссбрастанкй на "югчих" стеклах г оборотных системах до 7СЙ. ¡3 простеленных условиях такое соч>:ттц!е позволяло добиться полного прекращения как някипеобрзпоиания так и бпообраеталий. Насадка играет ро!Ь концентратора биообрастаний, а, проекту электродных реак; ил адсорбируется на них и способствуют прекращению я'изнелеятетьностп обрастаний.

ирог:гг!Л',И1'в«, испытания прог-одились п оборотном цикле произ-ьеяительностьп м*1 /ч при дозе электричества около 3 А-ч/м3 и отнс";еп;т гпощади поверхности насад;:;; к расходу оборотной годы около 3,1 длите "ч.>носг- г.ггытаниП сссгагклз 0 "педеег:. Ст-

нп полное ото;, тот и;о накипи !■ г "плообмептн-лх и биообрдстанпй оборзжэ • системе. г.роме Т'0!'0 перылыденатнпя ок'/еяемоегь ропь' ¡'нк.'И-аг::, на Ь-е/, а содержание взвешенных теще от? на

ч <0 |

е ■

8-§ й

I

IV

1 » 1 N

V 2

О 3000 шз

Расход е£сршс£ Во$м,

Рис. 7. Удеяьрше приведенные затраты для бассейна' реки Северсккй ДонВЦ

£

ю

ь

I8

V

1 » 1ч,

Л г

1 N г - 4 т

6000

Расход оборотной воуы, .

Рис. 8. Удельные приведенные затраты"для бассейна реки Днепр.

Исследования коррозионных свойств поды в лабораторных условиях и промышленных условиях покапали, что электрообработка не оказывает существенного влияния на скорость коррозии стали, О

3.9. Технико-экономическая оценка противонакипной

о л е кт ро о брабо т ки во Д!

Технико-экономические показатели противонакипной электро- ' обработки воды и конкурирующих методов снижения накнпеобразоваиия рассчитаны по укрупненным показателям в справочной литературе, типовых проектах, а также по фактическим затратил, имевшим место при внедрении данных научных разработок.

Расчеты выпотненн. в ценах 19с4 г.,что позволяет перевести величины показателен в цены любого текущего периода с помощью коэффициентов пересчета, учитывающих изменение экономической коныоктуры и инфляции.

Выполнено сравнение технико-экономических показателей противонакипной злектрсобработки воды с подкислением, обработкой воды полифосйатом натрия и добавлением комплексона ОЭДФК. Сравнение выполнено для двух регионов: предприятия в бассейне Днепра и в бассейне Сев.Донца. Вычислены капитальные и дксп уатадаонные затраты, себестоимость и удельные приведенные затраты при разных произподительностях оборотных систем. Величины удельных приведенных затрат на 1 м3 расхода оборотной воды в год нанесены на графики (рис. ? и 3). Здесь линия 1-обработка воды ОЭДФК; 2-кислотой или полифосфатом натрия; 3-злектрообработка воды.

Сравнение графиков показывает, что электрообработка воды для подавления накипеобразовашя экономически целесообразна при относительно небольших.расходах воды в оборотных системах, до <1-5-5 тыс.м3/ч. При расходах же воды до 1000 м3/ч капитальные

и эксплуатационные затраты практически на порядок меньше у противонакипной электрообработки по сравнени?: с реагентпымп методами, О

Большим преимуществом алектрсобработки является отсутствие реагентов, вода дополнительно ничем не загрязняется.Не требуется продувки и оборотные системы могут бить переведены в бессточный режим. К недостаткам можно отнести, необходимость периодической очистки поверхности катодов от отложений и необходимость периодической замены анодов вследствие их износа.

Простота устройства к эксплуатации, отсутствие добавочного обслуживающего персонал;-,, ¡-¡г ; •■••>. г.нгргозатраты,которые не превышаю! 0,003 квт--ч/м3 расхода оборотной воды делают противонакипную электрообработку в значительной степени привлекательным и перспективным способом снижения накипеобразования в оборотном водоснабжении . ?

Выпуск протнвонакипных электрических аппаратов налатен по заказам предприятий в Донбасском инженерно-строительном институте.

сг^ь г.о ракле

1. Ангшт- современных представлений о каккг.собрагювании

б теплообменниках и электросбработке воды показывает возможность аффективного снижения какипеобразозания за счет воздействия электрохимических. про ,ессоз. Наиболее надежной и перспективной представляется электрообработка водь' постоянным током.

2.На основе теоретических закономерностей протекания электрохимических пр01 .весов коагуляции, кристаллизации, умягчения, подкисления и электрофореза получен ряд формул для определения необходимого для подавления карбонатного какипеобрачогшия тока электрообработки ъ -зарксикости от величин мгиогенного избытка карбоната кальцкч, карбонатной жесткости, температурь' и со.ле-соцержания поды, а также к.п.д. электролиза, 1-елииинк подпитки и ко о ф<1 и: и е¡та унарииана я.

'Л. Эчсперго/е-нтачьнь'М путем Щ-яг^лен коагушы^ионныГ; механизм действия олектрообработки воль; посгояинки током на накипеоб-разующие компоненты при осаждения карбоната кальп.ия и основные факторы, влияющие на ее эф'ектйзность (мгновенннЯ избыток карбоната кальция, температура , нрекя и доза ?лгктричсст,ва>.

4. Стилистической обработкой массива лабораторных экспериментальных ;цшных получень* алекватн^т уравнения регрессии, связывающие скорость накипеобра-югалия в теплообменниках с дозой •Ы1с;;тричес] ва, величиной мгновенного избытка карбоната кальция, температурой и временем, ('ни подводят достаточно надежную научную базу под инженерные аспекты применения эле :грообработки в оборотномпснабжении.

!.>.. Промышленные испытания в различных условиях на химических, коксохимических, металлургических предприятиях и п теплоэнергетике подтвердили■надежность научной базы противонакипкой электро-

обработки воды, справедливость основных расчетных зависимостей, высокую эффективность противонакипного действия, работоспособность и надежность основных конструктивных решений противона-кипных электрических аппаратов. При соблюдении расчетных параметров.тока эффективность снижения накипеобразования составляла не менее 90-95Й, а расход электроэнергии на обработку оборотной воды не превышал 0,003 кВт-ч/м3.

6. Технико-экономическими.расчетами показана предпочтительность использования противонакипной электрос?бработки воды перед реагентаыми методами снижения накипеобразования (подкисле-ние, фосфатирование,введение комплексонов) при производительности оборотных систем водоснабжения до 4-5 тыс.м3/ч. При расходах воды до 1000 м3/ч затраты на противонакипную электрообработку в 8-10 раз ниже, чем при использовании реагентных методов. Применение электрообработки исключает загрязнение воды реагентами, способствует переводу оборотных систем в бессточный режим и прекращению.загрязнения водоеме:, стоками оборотных систи

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

I. Найманов А.Я., Никита С.Е. Выбор ыыгода подготовки очищенных сточных вод для подпитки оборотных систем водоснабжения химзавода //НТЛ "Строительство и архитектура (неопубликованные материалы)". Вьт.6.-М.: ЦИНИС, 1978.

2.Найманов А.Я.3Никита С.Б.,Балинченко О.й. Опыт выбора и применения ингибиторов коррозии в оборотном водоснабжении химзавода. //Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. 1982.8.- с.109-112.

3.Наймами A.A., Кузнецова С.M.,Никита С.Б. Электрический нтинакипной аппарат //Экслресс-информ.: Газовая про-сть. Эконо-ика, организация и управление производством в газ. про-сти.М.: ЬН ЖИЗгаз — пром.- 19оЗ.- с.2о-30.

4.Найманов А.Я. ,Никита С.Б. Исследование работы антинакип-ого электрического аппарата // Пром. энергетика.-I9ü3.ff II.-.43-45.

5. Найманов A.A., Никита C.B. Антикакипные электрические ппараты в оборотном водоснабжении //Водоснабжение и санитарная ехника.- 19Ь4,- 'f 2.- с.22-23. ■

6.Найманов Л.Я., Никита С.Б., Ковтуи С.и. Использование оочищенных сточных вод для промышленного водоснабжения // Раци-натьное использование' вторичных -ресурсов. Тез.докл.на.учн.конф.-онецк : донецк.политехи, ин-т, - I9t£>.-2CÜ с.

7. Найманов А.Я., Никии:а С.Б., Колтун С. о., Казимиров Е.К. ротивонакипные электрические аппараты для систем оборотного одоснабжения //Экслресс-информ'.-:Стеиес?в.производств.опыт.-

. :ЬШСЭНТИ.- I9bC, вып.З,- с.9-10.

В.Наймаио!} А.Я. , Ковтуи C.B., Казимиров Е.К. ,Судакога В.В. иохимическая доочистка сточш-х под химзавода //Водоснабжение санитарная техника.- I9dü.- Ji 10. - с.24-26. * '

9.Найманов А.Я., Никита С.Е., Ковтун C.B., Иващенко В.Ф., ькарева Э.Л, Подавление накилеобрзаования в теппообменной ппаратуре электрообработкой оборотной воды // Кокс и химия.-9U9.-, J," 5.-c.3U-39.

10.Найманов А,Я., Расчет величины тока для протигонакипной лектрообработки годы //Очистка природных и стопных вод.

еа.доклiВсесоюзн. научно-техн.совещания,-М.: Ы!Щ ВОДГЕО,-Э«9.~ с.226.

11. Fro&oi* 1..H., Найманов А.Я. Моделирование условий работы внутренней поверхности стальных водопроводных труб //Очистка природных и сточных вод. 1р. Новочеркасского политех, ин-та.- 1972,- т.249.- с.20-25.

12. Кайманов Л.Я. Катодная защита внутренней поверхности стальных водопроводных труб, хам же. с.25-29.

13. Найманов А.Я., Никиша С.Б. Снижение накипеобразования в системе оборотного водоснабжения //Актуальные проблемы водохозяйственного строительства: '1ез.докл.республ.научно-техн.кокф.- Ровно.-°I9dO.

14. Найманов А.Я., Никиша C.B., Коэтун C.B. Противонакипная злектрообработка воды в оборотном водоснабжении // Проектирование, эксплуатация и исследование систем-оборотного водоснабжения промышленных предприятий: Материалы семинара.

M. : МДНШ,- I9o7.- 17Ь с.

15. Найманов А.Я., Кравченко М.В., Плеханова Т.Б, Снижение накипеобразования в водогрейных теплогенераторах посредством плектрообработки волы //НоЕые технологические решения для строительной промышленности Донбасса. Тр./,Киев: УИК ВО.-19о9.- с.140.

1Ь. Найманов А.Я., Губарь В.Ф., Кравченко* М.В., Плеханова Т.Б. Снижение накипеобразования в водогрейных теплогенераторах путем олектрообработки воды //Библиограф, указат.депонир. рукописей ННИЛС Госстроя СССР.- I9b9.- вып.7.

17. A.c. 1555295 СССР, ЙКИ С 02 F 1/46. Способ предотвращения осаждения накипи на теплообменных поверхностях /Найманов А.Я., Никиша С.Б., Ковт"Н C.B., Надтока АЛ.- опубл. 7.04.90.

Ib. Кайманов А.Я., Кравченко W.ü. Влияние электрообработки на накипеобразосание в теплообменниках // Новые технологические процессы и оборудование d области очистки воды и трубопроводов. Сб. иаучн. тр. / Отв.ред. Куликов H.H. - Киев: УЖ Ш. - 1991. - с.2и-39.

19. Нейманов А.Я., Коетун C.B., Гречаный H.A. Использование активного угля для снижения окисляемости природной воды // Инженерные решения экологических проблем Донбасса. -Киев: УЩ DO. - 1992. - с.92.

Usinanov A.J. Antiskale Electric Treatment of Water in the cooling Water Circuit Systems.

Dissertation for degree of Doctor Of Science on 05.P3.04 -

'Aater Suppli pnd Sewerage speeialiti, the'Kharkov Universiti

of Constrneti-n ond Architecture, Kharkov, 1994.

The dissertation contains the analysis .of present day ideas

about scale depositing end employing electric treatment for

its removal, theoretical end experimental estimation of the

■effect of water parameters and electric treatment on scale

depositing and drawing empirical generalizing dependences

4 l

between them, the results of laboratory and field tests of antiscae electric apparatuses in the chemical end metallurgy' eel indastry, technical and economics v*ilue.

Найманов А.Я. Противонакипная электрообработк.а воды в системах оборотного водоснабжения. . ' ' Диссертация на соискание ученой степени доктора технических

* ^

наук но спегиальности Cb.~-3.C4 - иодэсннб-сение, каналиэдгия, строи течькке систехи охраны иодных ресурссп, ларькопскиЗ государсгшшь'Я технический университет строительстьа'и архитектура, Харьков, 1994. ( Диссертация содержит анализ современных представлений о наки-пс. образовании и применении плектрог>^работ:-'й для ее подавления, георстическуз и эксперкмептаяьнур огеику влияния параметров воды и электрообработки на нахипеобразованйе и построение эмпирических обобщающих зависимостей между ними, результаты лабораторных и промышленных испытании и внедрения противонакипны электрических аппаратов > хыг.пы^ском и металлургической промыш ленности, техннко-з1соноглпчес1;у:з опенку.

Ключов! слова: оборотне водопостачання, накипоутвопення, карбонат кальцтя, теплообмлннхки, електрообробка, посттйний струм, доза електрики, електрЪкоагуляцтя, хп.ична та мета-лургтйна промисловтсть.