Теоретичні та практичні основи попередження карбонатного накипоутворення у водних теплообмінних системах

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.21. – Технологія водоочищення. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Київ, 2011. Дисертація присвячена розробці теоретичних основ та експериментальної методики визначення складу води, за якого не утворюється карбонат кальцію у воді і, як наслідок, на теплообмінних поверхнях, що нагрівається без кипіння та без контакту з повітрям, тобто в охолоджувальних системах (40÷80 оС) та теплових мережах (70÷190 оС). На основі розробленої експериментальної методики встановлюється (протягом 1-2 робочих днів) механізм, за яким переважно розкладаються іони НCO3- у пробах води, що термостатуються за даної температури без контакту з повітрям. Розкладання іонів HCO3- за ОН-механізмом (з утворенням ОН- та CO2) призводить до збільшення рН, а за Н-мехнізмом (з утворенням Н+ та CO32-) – до зменшення рН. Розроблена методика включає визначення зміни твердості (внаслідок утворення СаCO3), що дозволяє визначити допустиму температуру нагрівання води даного складу (tadm) або допустиме значення зміни рН (ΔрНadm) за даної температури, за яких твердість не зменшується. На показнику ΔрНadm ґрунтується визначення необхідної ступені обробки води обраним методом, що мінімізує її собівартість та кількість стічних вод.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.17.21 – Технология водоочистки. – Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Киев, 2011. Диссертация посвящена разработке теоретических основ и экспериментальной методики определения состава воды, при котором не образуется карбонат кальция в воде (как следствие, на теплообменных поверхностях), нагреваемой без кипения и без контакта с воздухом, т.е. в охладительных системах (40÷80 оС) и в тепловых сетях (70÷190 оС). Установлено, что углекислотное равновесие является гидрокарбонатным, т.е. в диапазоне рН 4÷12 в водных растворах гидрокарбонатные ионы (ГКИ) диссоциируют (в равновесном состоянии) с образованием ионов ОН- и СО2 (ОН-механизм, рН<8,35) или с образованием ионов Н+ и CO32- (Н-механизм, pH>8,35). Эти уравнения (в соответствующем диапазоне рН) объясняют зависимость концентрации форм угольной кислоты (НCO3-, СО2 , CO32-) от рН. Выведена константа диссоциации ионов НCO3- по ОН-механизму (Kw/К1=1,594·10-8 – 20оС) на основе первой (кажущейся – используется [СО2]) константы диссоциации угольной кислоты (К1) и ионного произведения воды (Kw). Обосновано, что граница между двумя механизмами (рНΔ 8,35 для раствора NaHCO3) находится в щелочной среде, поскольку диссоциация по Н-механизму требует избытка ионов ОН-, а рНΔ уменьшается с увеличением жёсткости и щёлочности, что установлено на основе разработанной методики. Механизм разложения ГКИ определяется на основе знака изменения рН при смешивании растворов CaCl2 и NaHCO3 с одинаковыми рН и концентрациями: уменьшение рН в смеси свидетельствует об Н-механизме и наоборот. На основе разработанной экспериментальной методики определяется (1-2 рабочих дня) механизм, по которому преимущественно разлагаются ГКИ в пробе воды, термостатируемой без контакта с воздухом при заданной температуре (до 190оС). Разложение ионов HCO3- по ОН-механизму (с образованием ОН- и CO2) приводит к увеличению рН, а по Н-механизму (с образованием Н+ и CO32-) – к уменьшению рН. Экспериментальный потенциал карбонатного накипеобразования (ПКН) определен как разница (ΔрНt) между исходным рН1 и конечным рН2 после термостатирования. Значения рН1 и рН2 (после охлаждения) определяются при фиксированной температуре (например, 20оС) для исключения влияния температуры на истинное значение рН. Значения ΔрНt находятся в диапазоне ±(0,02÷1,5) при температуре (40÷150)оС. Методика включает определение жёсткости (точность измерения 10÷20 мкмоль/дм3) до и после термостатирования, что позволяет установить факт образования СаCO3. Определена «истинная» жёсткость воды, которая учитывает влияние устойчивых комплексов с ионами Са2+ и Mg2+ на определение жёсткости комплексонометрическим методом (с трилоном Б). Экспериментально установлено (в лабораторных и промышленных условиях), что жёсткость (20÷40 мкмоль/дм3) глубоко умягчённой воды после Na-катионирования существенно занижена (до 600 мкмоль/дм3) вследствие образования при фильтровании комплексов ионов Ca2+ и Mg2+ с коллоидными соединениями, которые разлагаются при температуре 60оС и выше. «Допустимая температура нагревания води» данного состава (tadm) и допустимое значение ΔрНadm при фиксированной температуре (зависит от режима охлаждения проб) определяются при условии не уменьшения «истинной» жёсткости (вследствие не образования СаCO3) после термостатирования. На основе ΔрНadm определяется необходимая степень обработки воды (выбранным способом), что минимизирует её себестоимость и количество сточных вод. Обосновано, что реализация «углекислотного» режима (рН<8,3) в тепловых сетях позволит гарантировано предотвратить карбонатное накипеобразование с уменьшением себестоимости подпиточной воды по сравнению с «карбонатным» режимом (рН>8,3), а условием такой реализации есть надёжное предотвращение равномерной кислородной коррозии как источника вторичной железоокисной накипи. Обосновано, что дозирование восстановителя кислорода является обязательным, поскольку фактическая подпитка (средняя концентрация кислорода 400 мкг/дм3 и выше против 50 мкг/дм3 по действующим нормам) состоит из обработанной на тепловом источнике воды и необработанной воды (источника растворённого кислорода) от повреждённых бойлеров горячего водоснабжения. Установлено, что при «карбонатном» режиме эффективность карбонатной и железоокисной плёнки менее 10% (более 90% кислорода реагирует со сталью обратных трубопроводов), а сама плёнка является причиной язвенной коррозии вследствие существенного уменьшения поверхности контакта растворённого кислорода со сталью. Впервые определён коэффициент испарения (отношение расхода испаряющейся воды к расходу воды с капельным уносом на охладительном элементе) циркуляционной воды охладительных систем, который определяется в условиях стационарного режима на основе выведенных формул (из балансов по солесодержанию и воде) и позволяет определить состав циркуляционной воды в зависимости от её расхода на продувку.

The dissertation for obtaining the master’s degree in technical sciences in speciality 05.17.21 – Technology of water treatment. - National Technical University of Ukraine «Kiev Polytechnic Institute», Kiev, 2011. The dissertation is devoted to the development of theoretical bases and experimental methods for determining composition of water that precludes formation of calcium carbonate in the water and, as a result, on heat-exchange surfaces. We investigated properties of the water was heated without boiling and without air contact, as in cooling systems (40÷80 oC) and thermal networks (70÷190 oC). Based on the developed experimental procedure, determination of the mechanism of HCO3- decomposition in a heated (in stainless reactors without air contact) to a predetermined temperature water (40÷190 oC) takes 1-2 days. Decomposition of HCO3- ions by ОН-mechanism (with formation of ОН- and CO2) leads to an increase of рН (ΔрН<0), and by an Н-mechanism (with formation of Н+ and CO32-) leads to a decrease of рН (ΔрН>0). The designed procedure includes determination of hardness change (subsequent to the formation of СаCO3), that allows to define the admissible value ΔрНadm and, as a result, define necessary (with a minimum cost) treatment of water in which there is no calcspar after heating.