О механизме изменения свойств технических водных растворов при магнитной обработке

Кандидат технических наук доц. А.С. Копылов, канд. хим. наук доц. Е.Ф. Тебенихин, асп. В.Ф. Очков

Накипеобразование и коррозия теплопередающих поверхностей – основные причины снижения экономичности и надежности установок термического опреснения соленых вод, переработки стоков предприятий. Использование реагентных методов на установках малой мощности затруднено из-за сложного обслуживания, необходимости автоматизации и контроля. Организация водного режима на таких установках физическими, безреагентными методами дает значительный экономический эффект вследствие большой распространенности названных установок.

Для выяснения механизма магнитной обработки воды использовать имеющиеся публикации (их насчитывается уже более 2000) чрезвычайно трудно. Приводящиеся в них данные противоречивы и часто невоспроизводимы [1]. Многие попытки лабораторного моделирования условий какого-либо успешного промышленного опыта кончались неудачей. Все это является следствием отсутствия теоретического объяснения явления магнитной обработки воды.

Как известно, магнитные устройства могут генерировать затравочные кристаллы накипеобразователей [2], что изменяет характер отложений на теплопередающих поверхностях. Выявлены [3, 4] необходимые условия, при которых в зазоре аппарата образуются центры кристаллизации, а именно, состояние пересыщения воды по накипеобразователям в самом магнитном устройстве и наличие в водном потоке примесей с ферромагнитными свойствами. Однако механизм самого процесса генерации твердой фазы накипеобразователей в зазоре магнитного устройства полностью не выяснен [5]. Еще меньше известно о влиянии магнитной обработки на коррозионные процессы.

При исследовании этого явления обычно возникает вопрос, какие характеристики водной системы меняются в магнитном поле. Имеются гипотезы, авторы которых предполагают возможность изменения при магнитной обработке многих параметров сравнительно чистой воды (электропроводность, вязкость, плотность, растворимость и активность примесей, оптическая плотность, диэлектрическая и магнитная проницаемость и др.) [5]. В то же время результаты ряда экспериментальных и теоретических работ это не подтверждают. В [6] отмечается, что магнитные устройства могут менять такой параметр водной системы, как концентрация ферромагнитных примесей. «Омагниченная» вода может отличаться от исходной прежде всего содержанием таких примесей. Аппарат для магнитной обработки воды по своей сути есть не что иное, как своеобразный магнитный фильтр. При установке магнитного устройства для борьбы с накипью на линии, питающей теплообменник, количество задержанных в зазоре магнита примесей G будет непрерывно увеличиваться и достигнет предельного значения G_пр по истечении определенного промежутка времени τ_пр.

Проведенные нами расчеты и эксперименты с реальными техническими водными системами показали, что значения параметра τ_пр (аналог времени рабочего цикла магнитного фильтра) лежат в пределах от нескольких часов до нескольких суток в зависимости от особенностей магнитного устройства и водной системы. Для изучения особенностей поведения ферромагнитных примесей воды в зазоре магнитного устройства и связанных с этим возможных изменений в характеристиках пересыщенных водных растворов была собрана из стекла лабораторная установка (рис.1). Из емкости 1 исходный раствор поступал в теплообменник 2 и направлялся в зазор магнитного устройства 5. Для замера количества газа, выделяющегося из воды, на участке теплообмена и в зазоре магнитного устройства были предусмотрены микробюретки 3, 6. Приспособление 4 служило для ввода в зазор магнита ферромагнитной примеси – дробленой металлургической окалины, в основном состоящей из магнетита с размером частиц 50 – 30 мкм. Эта операция ускоряла накопление в зазоре ферромагнитных примесей.

Рис. 1. Схема лабораторной установки

Зависимость предельного количества ферромагнитных примесей в зазоре магнита G_пр от напряженности поля H и скорости воды в зазоре V хорошо описывается следующим выражением, полученным после обработки данных эксперимента:

(1)

Здесь К – постоянный коэффициент; V_пр – предельная скорость воды, при которой ферромагнитные частицы не задерживаются в зазоре магнита. В нашем случае V_пр=1,15 м/с при Н=2,6´10⁵ А/м, диаметр трубки в зазоре магнита 9 мм; пределы изменения Н=(1-3)´10⁵ А/м, V=0,2-1,8 м/с. Значение V_пр зависит от многих параметров и в первую очередь от характеристик магнитного аппарата (Н, grad H), гидродинамики потока воды, свойств ферромагнитных примесей (дисперсность, магнитная восприимчивость, форма частиц и др.).

Особый интерес представляют результаты опытов по изучению поведения в зазоре магнита раствора, пересыщенного по какому-либо компоненту (солевому, газовому). На установке (см.рис.1) дистиллированная вода в емкости 1 термостатировалась при 25 ⁰С и насыщалась атмосферным воздухом. В теплообменнике 2 вода нагревалась до заданной температуры (25-70⁰С). При этом растворимость основных компонентов воздуха (азот, кислород) падала, а степень пересыщения воды П_в (отношение растворимости при начальной температуре к растворимости при конечной температуре) возрастала. По тракту установки наблюдалось выделение воздушных пузырей, которые собирались в микробюретках 3, 6. По падению уровня воды в микробюретках судили об интенсивности выделения воздуха на участке теплообмена (длина 2800 мм) и зазоре магнита (длина 15мм).

Испытывались три режима работы: 1) магнит отключен (Н=0); 2) магнит включен (Н=2,6´10⁵ А/м); 3) магнит включен и в зазор введены ферромагнитные примеси (Н=2,6´10⁵ А/м; G=50-30 мг). Результаты экспериментов представлены на рис.2. Интенсивность выделения воздуха в теплообменнике ΔG¹_В зависит от П_В и не зависит от режима работы магнита. В зазоре магнита интенсивность выделения воздуха ΔG²_В также зависит от П_В, но при этом большую роль играет режим работы. Магнитное поле само по себе не влияет на интенсивность выделения воздуха в зазоре (на рис. 2 точки первого и второго режимов легли на одну кривую). Ферромагнитные примеси, задержанные в зазоре магнита (третий режим), сорбируют на своей поверхности растворенные газы, что резко интенсифицирует выделение воздуха из воды. При этом наблюдается уменьшение (в 5 – 10 раз) размеров воздушных пузырей, улавливаемых в микробюретке 6.

На том же стенде были проведены опыты по качественной оценке поведения пересыщенного по карбонату кальция водного раствора в зазоре магнита. Было установлено, что в этом случае на поверхности ферромагнитных примесей идет интенсивная сорбция карбоната кальция с выделением углекислоты.

Рис. 2. Результаты экспериментов

Изложенное позволяет сформулировать механизм влияния магнитной обработки воды на процессы накипеобразования и коррозии:

· Магнитное устройство задерживает в своем зазоре ферромагнитные примеси; по истечении некоторого промежутка времени в зазоре образуется пористый слой с хорошо развитой поверхностью;

· Если поступающая в магнитное устройство водная система нестабильна, пересыщена по какому-либо компоненту (газовому, солевому), то этот компонент сорбируется на поверхности слоя ферромагнитных частиц;

· Продукты сорбции потоком воды смываются в поверхности ферромагнитных частиц, удерживаемых в зазоре магнитным полем; сами же ферромагнитные частицы за счет длительного пребывания в пересыщенном потоке меняют свои поверхностные свойства, например, покрываются слоем карбоната кальция и приобретают функции центров кристаллизации.

За счет этих процессов при магнитной обработке можно ликвидировать часть пересыщения водной системы. При этом в потоке, выходящем из магнитного устройства, появятся затравочные кристаллы или пузыри. Противонакипная магнитная обработка воды может быть сведена к двум известным методам ограничения отложений – контактной стабилизации и вводу зернистой присадки.

Схема, помещенная на рис. 3, иллюстрирует протекающие процессы в следующей технологической цепочке: источник воды a, подогреватель b, магнитное устройство c и потребитель воды d. Допустим, в источнике вода насыщена по некоторому компоненту, т.е. его концентрация соответствует растворимости s.

При нагреве b вода может переходить в метастабильное состояние, пересыщаться по этому компоненту (отрицательный температурный коэффициент растворимости). По газовому компоненту воду можно легко пересытить дросселированием. Значение концентрации этого компонента (линия A – B^/) и растворимости (линия A – B)на участке b будет уменьшаться, но не в одинаковой мере, что связано с кинетикой процесса.

Рис. 3. Схема, поясняющая механизм магнитной обработки воды

Магнитное поле на участке с не может менять термодинамических параметров раствора (горизонтальность линии В – С) и также не влияет само по себе на кинетику переходных процессов (линия В^/ – С^// одна для первого и второго режимов). Магнитное поле, создавая в зазоре аппарата слой ферромагнитных примесей, может резко изменить характер выделения компонента, по которому вода пересыщена (линия В^/ – С^/). В этом случае в «омагниченной» воде концентрация этого компонента в новом фазовом состоянии (твердом, газообразном) будет выше за счет гетерогенного катализа. Все это должно вызвать изменения в процессах накипеобразования и коррозии в том оборудовании, где эта вода используется.

Ведем параметр – противонакипная эффективность магнитной обработки h (отношение суммарной площади затравочных кристаллов к площади теплообмена). При нашем подходе к явлению магнитной обработки воды он равен:

(2)

где С_к – концентрация затравочных кристаллов; r, r_к и r_м – соответственно плотность воды, затравочных кристаллов и частиц, находящихся в зазоре магнита; d и d_а – диаметры трубок теплообменника и зазора магнита; d_к и d_м – эффективные диаметры затравочных кристаллов и частиц, находящихся в зазоре магнита; V – скорость воды в зазоре; G – количество примесей в зазоре магнита; I – интенсивность выделения накипеобразователей на поверхности слоя в зазоре магнита.

Целый ряд особенностей применения магнитных устройств для борьбы с накипью при таком подходе находит объяснение. Несовпадение результатов, полученных на реальных промышленных объектах, с результатами моделирования этих процессов в лабораториях можно объяснить, введя понятие периода активизации магнитного аппарата. Суммарная поверхность ферромагнитных примесей, находящихся в зазоре, может достигнуть значительной величины только по истечении времени t_пр. Следовательно, и h может подняться до заметного уровня только к концу этого промежутка времени – времени активации магнитного аппарата. Длительность работы реальных промышленных систем обычно превышает период активации магнитного аппарата, чего нельзя сказать о многих лабораторных опытах. Увеличение скорости воды, с одной стороны, приводит к росту интенсивности выделения накипеобразователей на поверхности слоя в зазоре, а с другой стороны, уменьшает саму эту поверхность. Отсюда экстремальный характер зависимости h от V. Используя выражения (1), (4), оценивая влияние V на I, можно записать:

(3)

где n = 1,5-2,5

Многие гипотезы, с помощью которых объясняют механизм магнитной обработки воды, основываются на действие сил Лоренца на диполи и заряды в потоке электролита. При этом не подчеркивается принципиальное различие между действием электрического и магнитного полей на воду:

(4)

где E – вектор напряженности электрического поля; B – вектор магнитной индукции; V – вектор скорости.

Следует заметить, что аппараты по электрической обработке воды (более простые и дешевые) не выпускаются, так как не замечено влияние электрического поля (такого же энергетического уровня) на процессы накипеобразования. Возникает противоречие, которое, на наш взгляд, устраняется следующим образом. Электрическое поле могло бы влиять на кинетику выделения некоторых компонентов, если бы в воде присутствовали примеси с сегнетоэлектрическими свойствами.

Влияние напряженности H магнитного поля и градиента напряженности магнитного поля grad H на эффективность магнитной обработки h можно оценить, анализируя механизм задержки ферромагнитной частицы в магнитном поле, что приводит к образованию слоя из этих частиц в зазоре магнитного устройства. В [6] был сделан такой анализ на основе учета сил, действующих на частицу, а именно:

силы тяжести ;

силы трения и

электромагнитные силы .

Здесь g – ускорение свободного падения; r и r_м – соответственно плотность воды и частицы; d_м – эффективный диаметр частицы; d – вязкость воды; V и V_м – соответственно скорость воды и частицы; m₀ – магнитная проницаемость вакуума; f – коэффициент, зависящий от формы частицы (для шара f = 1/3, для эллипсоида вращения f = 1); çH÷ – модуль напряженности магнитного поля; c – магнитная восприимчивость.

Изложенное представление о работе магнитного устройства показывает, что нельзя однозначно выявить зависимость h от H, поскольку сильное влияние оказывают такие характеристики, как конфигурация поля, расположение полюсов, гидродинамика потока, параметры ферромагнитных примесей. При этом становятся понятными влияние grad H на эффективность магнитной обработки и применяемая в промышленных магнитных аппаратах практика использования многополюсных схем со встречным расположением токовых катушек и отдельных постоянных магнитов, что позволяет разделять общий магнитный поток на отдельные потоки. Такие схемы увеличивают неравномерность магнитного поля по длине аппарата, что должно привести к более эффективной задержке ферромагнитных примесей.

Литература

1. Штереншис И.П. Современное состояние проблемы магнитной обработки воды в теплоэнергетике (обзор). – М.: Атоминформэнерго, 1973. – 78 с.

2. Тебенихин Е.Ф. Безреагентные методы обработки воды в теплоэнергетике. – М.: Энергия, 1977. – 184 с.

3. Мартынова О.И., Гусев Б.Т., Леонтьев Е.А. К вопросу о механизме влияния магнитного поля на водные растворы солей. – Успехи физ. наук, 1969, т. 98, вып. 1, с. 195-199.

4. Евдокимов В.Б. О стохастической природе «омагничевания» разбавленных водных растворов макромолекул. – Журнал физ. химии, 1969, т. 43, N 11, с. 2703-2712.

5. Классен В. И. Омагничевание водных систем. – М.: Химия, 2978. – 240 с.

6. Martynova O.I., Kopylov A.S., Ochkov V.F. Mechanism and scale formation in MSF-plant using an electromagnetic appatus. – In: Proc of G-th Intern. Simp. Fresh Water from Sea, 1978, vol. 2, p. 231-240.