Швидкість карбонатних відкладень в оборотних системах охолодження

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Швидкість карбонатних відкладень в оборотних системах охолодження

Гаєвський В.Р., ст.н.сп.

(Національий університет

водного господарства та природокористування)

Проаналізовано балансове рівняння для кількості відкладень карбонату кальцію в оборотних системах охолодження і отримано його явний вираз за допомогою використання кінетичного рівняння кристалізації СаСО₃ з гідрокарбонатних розчинів.

Is analysed of the equations for quantity of adjournment calcium carbonate in turnaround systems of cooling and its obvious expression with the help of use the equation of kinetics of crystallization of СаСО₃ from hydrocarbonate of solutions is received

Оборотні системи охолодження (ОСО) електростанцій та промислових підприємств поряд з виконанням своєї функції - охолодження конденсаторів турбін чи продуктів виробництва - є найдосконалішим інструментом економії найціннішого природного ресурсу - води.

На сьогодні використовують три основні типи оборотних систем охолодження: зі ставками охолодження, з градирнями, з бризкальними басейнами [1]. Частіше реальні ОСО включають різні комбінації основних типів. Будучи ефективним засобом економії водних ресурсів, ОСО поряд з цим мають специфічні недоліки [1, 2]:

1) біологічне обростання елементів конструкцій ОСО та технологічного тракту;

2) в залежності від типу ОСО та якості води - карбонатні і сульфатні відкладення на поверхнях теплообміну;

3) механічні відкладення грубодисперсних домішок.

Відкладення різної природи на поверхнях циркуляційного тракту ОСО знижують ефективність охолодження і зменшують економічність функціонування промислових підприємств [1]. Розроблено багато методів запобігання відкладенням, основні з яких приведені у таблиці.

відкладення карбонат кальцій

Таблиця 1

Методи запобігання відкладенням в ОСО [2].

Проаналізувавши склад накипних відкладень більш, ніж двадцяти електричних станцій, автори [2] прийшли до висновку, що основним компонентом відкладень на трубних системах конденсаторів турбін є карбонат кальцію, див.рис.1.

Рис.1. Відносний склад відкладень на трубках конденсаторів по даним 22 електростанцій [2].1 - SiO₂, 2- Fe₂O₃, 3 - CaCO₃, 4 - органічні сполуки, 5 - MgCO₃, 6 - SO₄^2-, 7 - CaO, 8 - P₂0₅.

Аналіз останніх досліджень показує, що інтенсивність виділення CaCO₃ можна визначити співставленням на даний момент часу концентрації добре розчинних солей (трасерів) з фактичною концентрацією накипоутворюючих солей [1].

До речі, для автоматизації такої процедури необхідно мати систему моніторингу якості води ОСО як за кальцій-карбонатною підсистемою, так і за солями трасерів. Саме така система розроблена у Фізико-технологічній лабораторії водних сиситем (ФТЛВС) НУВГП (кер. к.ф-м.н. Кочмарський В.З.).

Отже, для прогнозування і коректування кількості відкладень карбонату кальцію необхідно [1, 3]:

1) розрахувати залежну від часу концентрацію солі, що не випадає в осад;

2) визначити концентрацію компонент, що залежать від накипоутворюючих агентів;

3) встановити аналітичну залежність між результатами першого та другого пунктів.

Методика досліджень. Для визначення кількості карбонатних відкладень у [1] приводиться вираз балансового рівняння, який містить аналітично неозначений доданок, а саме - неозначена функціональна залежність концентрації гідрокарбонатів від часу НСО₃^-(t).

Постановка завдання даної роботи полягає у аналітичному визначенні залежності НСО₃^-(t), використовуючи результати кінетичних досліджень кристалізації карбонату кальцію, отримані в [4].

Результати досліджень. Основними елементами ОСО, див. рис.2 є охолоджувач води (градирня) 1, циркуляційний насос 2, і теплообмінні апарати 3.

Нагріта оборотна вода завдяки випаровуванню охолоджується в градирні (бризкальному басейні) і далі подається в теплообмінники. Потік води, що випаровується q_вип=q₁ становить 1.0ч1.5% від потоку оборотної води, а краплинного виносу q_крап=q₂ - 0.5ч2.5%

Рис.2. Схема відкритої системи оборотного водопостачання.

В градирні також відбувається інтенсивний газообмін СО₂ (вуглекислотою) в системі „вода - повітря”. Переважно регулювання солевмісту здійснюється продувкою ОСО. Витрату продувки позначимо q_скид=q₃. Всі втрати води ОСО компенсуються додаванням води підживлення q_жив.

(1)

Баланс солей, що не кристалізуються в ОСО в диференційній формі представляється рівнянням:

(2)

dM - зміна кількості солі в системі за час dt; C₀ - концентрація солі у воді підживлення; C - концентрація цієї ж солі в оборотній воді на час t;

кількість солі у воді підживлення, яка компенсує її втрату (q₁-випаровування, q₂-краплинний виніс, q₃ - продувка, м³/год.) у циркуляційному контурі, кількість солі, що виводиться з системи.

Кількість карбонатів, що виділилися з води ОСО, характеризуються глибиною розпаду гідрокарбонатів (h), див.[1].

Глибина розпаду гідрокарбонатів залежить від коефіцієнту концентрування трасерів k і є різницею між реальною концентрацією гідрокарбонатів і концентрацією, визначеною за співвідношенням (3), що є розв`язком рівняння (2) при сталих потоках q₁, q₂, q₃,:

(3)

(4)

гранична концентрація солі трасера, а Р - відносна витрата:

(5)

Q - загальна витрата оборотної води в ОСО, м³/год.

Коефіцієнт концентрування k, який є характеристикою відносної зміни концентрації солей, визначається як відношення концентрації трасерів в ОСО до цієї ж величини у воді підживлення:

(6)

Тоді в термінах k, співвідношення (3) і (4) приймають вигляд:

(7)

(8)

Використовуючи (7) та (8), глибину розпаду гідрокарбонатів на момент часу t визначають як

(9)

L_жив, L(t)_об, концентрації гідрокарбонатів у початковий момент часу і на час t. У стаціонарному стані

(10)

k_гр - визначачається співвідношенням (8).

Кількість карбонатних відкладень і глибина розпаду гідрокарбонатів в ОСО для різних режимів технологічного процесу приведені в [3].

Кількість гідрокарбонатів ?L_c, що розпадаються за проміжок часу від t₁ до t₂ визначаються виразом

(11)

У рівновазі ОСО кількість гідрокарбонатів, що розпалася буде така:

(12)

Для визначення кількості карбонату кальція (?М_к) що за проміжок часу від t₁ до t2, відкладається в ОСО співвідношення (1.11) і (1.12) необхідно помножити на еквівалентну масу карбонату кальцію(Е), яка рівна 50·10^-3кг/г-екв., тобто:

(13)

(14)

З [11] видно, що вираз для кількості карбонатних відкладень містить неозначений доданок у вигляді інтеграла від деякої величини L_об(t), яка повинна залежати від умов утворення карбонатних відкладень. Щоб означити цю величину скористаємося результатами роботи [4], де отримано кінетичне рівняння для кристалізації карбонату кальцію. Його вигляд такий:

(15)

а - кінетична константа швидкості кристалізації.

Для вод гідрокарбонатного класу, якими є більшість поверхневих вод України можна прийняти, що L_об(t) = HCO₃^- (t) і тоді дозволяє отримати явний вираз для інтеграла в (11):

, (16)

і таким чином вираз (11) буде таким.

(17)

Співвідношення (17), використовують для розрахунку кількості твердої фази карбонату кальцію, що утворюється в оборотній системі у перехідному режимі. Для рівноважного режиму

(18)

(19)

що дозволяє записати вираз для кількості твердої фази ?М_кр карбонату кальцію, що утворюється в ОСО в стаціонарному режимі:

(20)

Висновки

1. На підставі рівняння балансу кількості солей в ОСО та кінетичного рівняння кристалізації СаСО₃ з гідрокарбонатних розчинів отримано вираз, придатний для розрахунку кількості відкладень карбонату кальцію в ОСО.

2. Отримані вирази справедливі за умови стаціонарності основних потоків водообміну в ОСО.

Література

1. Кучеренко Д.И., Гладков В.А. Оборотное водоснабжение. (Системы водяного охлаждения). М. Стройиздат, 1980, 169ст.

2. Кочмарский В.З., Поспелов Д.Н. Состояние проблемы противонакипной магнитной обработки воды в СССР. К. Знание, 1986, 20ст.

3. Кучеренко Д.И. Исследование методов предотвращения карбонатных отложений в системах оборотного водоснабжения. - Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1968/ ВНИИ ВОДГЕО.

4. Гаєвський В.Р., Кристалізація СаСО₃ з гідрокарбонатних розчинів. Вісник РДТУ, Рівне-2000 р.

Размещено на Allbest.ru