Способ очистки от минеральных, биологических, органических отложений и система для его осуществления

Способ очистки от минеральных, биологических, органических отложений и система для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области химии и может быть использовано для воздействия на стационарные или движущиеся водные среды, в частности в горнообогатительной промышленности, для интенсификации растворения минеральных ископаемых, для предотвращения биологических, неорганических и органических отложений на поверхностях теплообмена оборудования в нефтеперерабатывающей, энергетической, химической промышленности и в ЖКХ.

Известен способ магнитной обработки жидкости. Патент РФ 2172299, МПК C02F 1/48, C02F 103:02, 07.12.1998. Жидкость обрабатывают импульсным электромагнитным полем с длительностью импульсов 0,1-100 мкс с мгновенной мощностью импульсов 50-5000 Вт и частотой тока 50 Гц-30 кГц, причем используют форму импульсов, в том числе и с отрицательным фронтом. Установлено, что использование только импульсного электромагнитного поля с подобными параметрами не оказывает существенного влияния на минеральную составляющую в отложениях.

Известен способ и установка для уменьшения образования отложений минеральных солей, прежде всего из водных пересыщенных растворов, преимущественно сопутствующих подтоварных вод при добыче нефти. Патент РФ 2255907, МПК C02F 5/02, 19.06.2000 г. В котором в обрабатываемую среду добавляется предварительно полученное в отдельном устройстве наноразмерное кристаллическое вещество, которое по своему составу незначительно отличается от кристаллического вещества, образующего отложения. Затравочные кристаллы ускоряют процесс выпадения в осадок минеральных солей из водного пересыщенного раствора.

Однако способ достаточно сложен в автоматизации, поэтому в процессе его реализации требует постоянного оперативного отслеживания управляющим персоналом, что значительно снижает надежность и эффективность способа.

Известен способ подготовки воды (Патент РФ RU2281917, МПК C02F 1/48, 09.08.2004 г.). Способ включает воздействие на воду электрическим полем. Воду обрабатывают переменным электрическим полем частотой 50 Гц, напряженностью 10 кВ/см и подвергают воздействию электрогидравлического эффекта с энергией разряда конденсатора 2500 Дж.

Однако в процессе реализации способа, кроме повышенной опасности используемого высоковольтного оборудования, его сложности и низкой надежности в процессе эксплуатации, технологическое оборудование и трубопроводы подвергаются длительным динамическим воздействиям. Такие воздействия приводят к существенному снижению прочности сварных швов и фланцевых соединений в процессе эксплуатации.

В качестве прототипа принимаем способ обработки воды (Патент РФ 2207982 C02F 1/46, 05.07.2001) как наиболее близкий по достигаемому эффекту. Воду обрабатывают в катодной камере диафрагменного электрохимического реактора. После этого воду очищают в герметичном флотационном реакторе с удалением части потока воды вместе с газами и коллоидными частицами гидроксидов тяжелых металлов. Осветленный поток обрабатывают в анодной камере диафрагменного электрохимического реактора, причем обработку ведут с использованием одного или нескольких электрохимических диафрагменных реакторов, и обработку воды в катодной и анодной камерах ведут в соответствующих камерах одного и того же или разных реакторов. Перед обработкой в анодной камере поток воды обрабатывают в основном каталитическом реакторе, заполненном гранулами гидрофильного минерального вещества с протоком воды сверху вниз, а после обработки в анодной камере воду дехлорируют. После обработки воды в анодной камере и перед дехлорированием поток воды может быть выдержан в реакторе смешения и/или обработан в дополнительном каталитическом реакторе с частицами гидрофильного минерального вещества, причем размер частиц в дополнительном реакторе составляет от 0,5 до 2,0 мм.

Недостатком данного способа является недостаточно высокие технологические параметры процесса очистки.

Практически у всех известных способов, декларирующих очистку теплообменных поверхностей от отложений, принята единая модель образования отложений. Согласно этой модели образование отложений происходит путем перехода из водной среды ионов и заряженных коллоидных частичек на металлическую поверхность теплообменника, а после их разрядки на металлической поверхности образуются достаточно прочные отложения. На основе этой модели разрабатывается т.н. обратный технологический процесс и соответствующее оборудование. Основная цель заключается в том, чтобы различными воздействиями на насыщенные водные растворы (химическими реактивами, температурой, механическими, полевыми и т.д.), перевести часть растворимых соединений (какие получатся) в нерастворимую форму с последующим ее удалением из технологического процесса. Считается, что в этом случае, по известным законам, происходит процесс перехода нерастворимых соединений, составляющих отложения, в растворимую форму, которая в специальных устройствах вновь переходит в нерастворимую форму и т.д. Первоначально в наше оборудование закладывались процессы электромагнитной обработки (постоянными магнитными полями), основанные на традиционной схеме образования отложений. Однако накопленный нами опыт, более чем 150 объектов за 14 лет работы в области очистки теплообменников и трубопроводов от отложений безреагентными методами, показывает, что по этой модели необходимо 1-2 месяца «испытательного» срока, в течение которого будет приниматься решение о возможности очистки от отложений. После этого срока в 25-30% случаях приходится отказываться от продолжения работ по причине невозможности выполнения задания. Однако самое сложное оказывается в том, что несмотря на отличные первоначальные результаты, в 15-20% уже установленных систем, через 1-2 года успешной эксплуатации начинаются процессы повторного появления отложений на теплообменных поверхностях, но уже гораздо более плотной структуры. Общий положительный результат соответствует примерно 50%. В целом полученный нами опыт полностью совпадает с опытом применения электромагнитной обработки воды в Германии в 30-40 годах и СССР в 60-80 годах прошлого века, что доказывает некорректность общепринятых подходов в модели образования отложений на теплообменных поверхностях.

Для решения этой проблемы нами была разработана отличающаяся от общепринятой модель образования отложений. На основе этой модели было создано и введено в долговременную эксплуатацию оригинальное оборудование.

Основные положения разработанной модели

1. Известно, что различные воздействия (механические, электромагнитные и т.д.) на водную среду приводят к переходу некоторой части растворимых соединений в нерастворимую форму с выпадением их по всему объему в виде нанодисперсных кристаллов различной формы. Результаты изменения формы нанодисперсных кристаллов после ультразвуковой обработки можно наблюдать в прототипе, патенте РФ 2255907. Нами экспериментально установлено, что конфигурация магнитного поля от постоянных магнитов в сечении, перпендикулярном потоку обрабатываемого потока жидкости, в сочетании со структурированными магнитными полями приводит к существенному изменению соотношения количественного состава нанодисперсных кристаллов различных форм. Кроме того, известно, что форма нанодисперсной частицы строго индивидуальна и зависит от химического состава и количественного отношения химических соединений, образующих эту частицу. Используя это свойство, удается организовать транспортные реакции, направленные на избирательное растворение группы веществ, влияющих на прочность отложений (вяжущие). В результате этих процессов механическая прочность отложений падает до уровня, позволяющего размывать отложения гидравлическим напором циркулирующей жидкости.

2. Существенным фактором, влияющим на механизм образования отложений, являются биологические и органические составляющие. Установлено, что без их учета разработать эффективный технологический процесс очистки теплообменных поверхностей нельзя. Предлагается выделить три типа отложений: первый тип - полимербетонные отложения, как правило, имеющие высокую механическую прочность и химически стойкие к широкой гамме растворителей, в которых в качестве вяжущих выступают органические вещества, присутствующие в воде. Второй тип - илообразные (пастообразные или гелеобразные) отложения, где в качестве вяжущих выступают различные биологические структуры (колонии бактерий, водорослей и т.д.), которые сами создают эти отложения как оптимальную среду своего обитания. Третий тип - отложения, формируемые различными минеральными объектами, как правило округлой формы, скрепленные между собой минерально-органическими комплексами.

Основной технической задачей данного изобретения является направленное изменение структуры и физико-химических свойств водных сред (газожидкофазных, жидкотвердофазных, газожидкотвердофазных многокомпонентных и дисперсных) путем реализации в них химических реакций, направленных на разрушение связки, удерживающей отложения в прочном состоянии, путем резонансного электромагнитно-акустического воздействия, которое направленно, в том числе, на изменение водородного показателя водной среды путем усиления роли ионов водорода в структурообразующих процессах.

Поставленная задача достигается тем, что в этом способе на водную среду, через электроды, расположенные по оси трубы от источников питания, в зависимости от физико-химических свойств исходной среды, подается или не модулированное переменное напряжение от 0,5 В - 50000 В частотой 0,5 Гц - 1500000 Гц, и/или дополнительно модулированное импульсами с длительностью переднего фронта 2 нс -20000 нс, длительностью заднего фронта 2 нc - 25000 нс, длительностью полочки 2 нс - 25000 нс, амплитудой импульсов от -1000 В до + 1000 В, частотой 0,5-1,5×10⁶ Гц, или подается на них от источника питания последовательность импульсов указанных выше параметров и/или, с учетом физико-химических свойств исходной среды, последовательности импульсов, фаза которых модулируется переменным током с частотой 0,5 Гц - 1500000 Гц, замкнутыми магнитными полями неоднородной структуры вдоль прохода среды и структурированным объемом полостей прохода среды с магнитной индукцией 0,2-12 Тл поперек протока среды, а также создаются локальные зоны с повышенной объемной концентрацией примесей и укрупнения ее частиц в зоне прохождения водной среды.

Наиболее эффективный вариант реализации изобретения включает воздействие на водную среду в кольцевом режиме последовательностью воздействий (петлевой реактор), включающих следующее:

1. На электроды, расположенные вдоль потока водной среды, от источников питания, в зависимости от физико-химических свойств исходной среды, подается не модулированное и/или модулированное переменное напряжение от 0,5-50000 В частотой 0,5 Гц - 1500000 Гц, и (или) дополнительно модулированное импульсами с длительностью переднего фронта 2 нс - 20000 нс, длительностью заднего фронта 2 нс - 25000 нс, длительностью полочки 2 нс - 25000 нс, амплитудой импульсов от -1000 В до + 1000 В, частотой 0,5-1,5×10⁶ Гц.

2. Поперек потока водной среды создаются замкнутые магнитные поля с периодической структурой, а вдоль потока водной среды расположены сегменты, собранные из постоянных магнитов, размеры которых - ширина, высота, длина - 1-100 мм, ориентированных по магнитному полю в одном и том же направлении, с заданными размерами ширины зазора между магнитами B1 и шириной магнита B2 в соотношении, определяемом физико-химическими свойствами среды и изменяющемся в пределах 1:4-1:150. Причем магниты, расположенные так, что в сечении плоскостью, перпендикулярной потоку водной среды, имеют вид: три и более лепестков, наборов «гусиная лапка», наборов из параллелограммов, наборов из шестиугольников или комбинации из вышеперечисленных наборов, создающих замкнутое, постоянное по направлению (левое или правое вдоль протока среды) магнитное поле с индукцией 0,2-12 Тл.

3. Повторно на электроды, расположенные вдоль потока водной среды, подается последовательность импульсов с длительностью переднего фронта 2 нс - 20000 нс, длительностью заднего фронта 2 нс - 25000 нс, длительностью полочки 2 нс - 25000 нс, амплитудой импульсов от -1000 В до +1000 В, частотой 0,5-1,5×10⁶ Гц, не модулированных и/или модулированных переменным напряжением от 0,5-50000 В, частотой 0,5 Гц - 1500000 Гц, и(или) дополнительно модулированных, с учетом физико-химических свойств исходной среды, последовательностью импульсов, фаза которых модулируется переменным током с частотой 0,5 Гц - 1500000 Гц.

Комплексное воздействие модулированными электромагнитными полями путем резонансного электромагнитно-акустического воздействия содействует существенному увеличению количества и времени существования нанодисперсных кристаллов заданной формы, повышению активности образования различных агрегатов и комплексов и изменению параметров среды обитания биологических структур (водородного показателя) без применения каких-либо ядов.

4. Во флотационном реакторе, при прохождении водной среды, создаются локальные зоны повышенной концентрации примесей, для этого поток водной среды подается в среднюю часть герметичного флотационного реактора, касательно. В верхней части флотационного реактора образуется газовый (воздушный) объем, водная среда выводится из реактора касательно, но по уровню, выше входа, на расстоянии, позволяющем сохранять газовый объем. Закрученный водный поток (вихрь) создает в центральной зоне повышенную концентрацию примесей и коллоидов. В этой зоне активно происходят процессы сорбции и агрегатирования, приводящие к увеличению размеров частиц с одновременным их перемещением в нижнюю часть флотационного ректора. Из нижней части реактора производится отбор укрупненных примесей.

Примеры конкретного выполнения.

На фиг.1 представлена система для очистки от отложений, на фиг.2 - устройство для создания радиальных электрических полей не модулированными и/или модулированными импульсами (ВМЭР), на фиг.3 - устройство для создания замкнутых магнитных полей неоднородной структуры (ЗМПС), фиг.4 - линейка постоянных магнитов, на фиг.5 - варианты расположения линеек в корпусе устройства для создания замкнутых магнитных полей, на фиг.6 - вариант реализации флотационного реактора.

Система для очистки от отложений (фиг.1) состоит из петлевого реактора, составленного из последовательно соединенных устройств: смесителя 1, устройства для создания радиальных электрических полей не модулированными и/или модулированными импульсами (ВМЭР) 2, устройства для создания замкнутых магнитных полей неоднородной структуры (ЗМПС) 3, устройства для создания радиальных электрических полей не модулированными и/или модулированными импульсами (ВМЭР) 4, флотационного реактора 5 и циркуляционного насоса 6.

Устройство ВМЭР (фиг.2) выполнено в виде стальной трубы 7 с фланцами с внутренним диаметром 250 мм длиной 400 мм, внутри трубы 7 по ее оси установлен стальной электрод 8 диаметром 40 мм. С помощью электрода 8 создается модулированное или не модулированное радиальное электрическое поле в полости протока среды.

Устройство ЗМПС (фиг.3) выполнено в виде цилиндрического корпуса 9 с фланцами, в полости которого размещены линейки 10 (фиг.4) из пяти постоянных магнитов шириной 41,5 мм, высотой 41,5 мм, толщиной 10 мм, шириной зазора между ними 3 мм с магнитной индукцией 0,6 Тл. Линейки 10 из магнитов расположены в корпусе так, что в сечении плоскостью, перпендикулярной оси корпуса, могут иметь следующий вид (фиг.5): три и более лепестков, наборов «гусиная лапка», наборов из параллелограммов, наборов из шестиугольников или комбинации из вышеперечисленных наборов, создающих замкнутое по направлению (левое или правое вдоль протока среды) постоянное магнитное поле с индукцией от 0,2 до 12 Тл.

Флотационный реактор (фиг.6) выполнен в виде герметичной емкости 11, имеющей тангенциальный вход 12 и два тангенциальных выхода 13 и 14, расположенных таким образом, чтобы в верхней части внутреннего корпуса 15 образовывалась газовая полость 16, внутри обеих емкостей размещен вертикальный стержень 17. Входящая среда поступает тангенциально в кольцевую полость 18, образующийся вихрь захватывает шлам и поднимает его в верхнюю часть и попадает в раструб 19, а в нижней части кольцевой полости крупные шламовые фрагменты поступают вниз и по отражателю 20 проваливаются в полость отстойника 21. Для интенсификации процесса укрупнения коллоидов на внутренней поверхности корпуса 15 и на наружной поверхности вертикального стержня 17 выполнены штырьковые элементы 22.

Пример 1

Для проведения мероприятий по очистке рабочих поверхностей специального оборудования от отложений полимербетонного типа ставилась задача при минимально возможном количестве реагентов обеспечить максимально возможный водородный показатель в кислую сторону. Объем обрабатываемой воды 1000 м³, исходный водородный показатель (рН) составлял 7,4. В обрабатываемую воду было внесено 300 кг 30% ортофосфорной кислоты, после этого рН среды составил 6,8. После этого к сети был подключен петлевой реактор, в результате пятикратного прогона всего обрабатываемого объема рН среды снизился до 3,2. После 24-часовой обработки начался процесс лавинообразного освобождения рабочих поверхностей оборудования от отложений. После прохождения максимума выхода из сетей отложений электрическое питание ВМЭР (поз.2 и 4) было отключено, но режим циркуляции продолжался, воздействие оказывал один ЗМПС до полного выхода из сетей отложений, затем циркуляция прекращалась. После 48-часового покоя, рН среды составил 7,0-7,2, а уровень загрязнения воды позволил весь объем воды сбросить в городские канализационные сети.

Пример 2

В качестве очищаемой поверхности служил контур охлаждения крупнотоннажного химического реактора. Объем циркуляции охлаждающей воды более 1000 м³/ч, примерно 100 м³/ч добавляется в контур и столько же отводится. Имеющиеся шламовые отложения можно классифицировать как мелкодисперсные минеральные объекты, армированные полимербетонной связкой, по этой причине имеют высокую механическую прочностью. Кроме очистки от предыдущих шламовых отложений и для предотвращения образования новых отложений возникает необходимость обеспечить подавление биологической активности микрофлоры (как источника органических вяжущих) без применения гипохдорида.

Способ очистки поверхности теплообмена осуществлялся следующим образом: в существующий контур охлаждения на фланцах была установлена часть петлевого реактора, включающий последовательно соединенные устройства - первая ВМЭР 2, ЗМПС 3, вторая ВМЭР 4, в качестве замены флотационного реактора 5, использовалась штатная градирня, в которой, в принципе, реализуются процессы укрупнения коллоидной взвеси, аналогичные как в флотационном реакторе. Как показал опыт, на таких больших объемах обрабатываемой водной среды и неограниченном временном промежутке подобная замена дает приемлемый результат. Для снижения затрат при изготовлении все три устройства: первая ВМЭР, ЗМПС и вторая ВМЭР были объединены в единый корпус. Результаты приведены в табл.1

Табл.1
	60 суток	120 суток	180 суток	240 суток
Толщина отложений испытуемой поверхности, мм	0,005	0,01	0,005	0,01
Толщина отложений контрольной поверхности, мм	0,25	0,36	0,67	0,87

Замеры проводились после слива воды и высыхания отложений микрометром. Отложения на испытуемой поверхности имеют рыхлую структуру, легко удаляются напором воды до металлической поверхности.

Пример 3

В качестве очищаемой поверхности служили внутренние поверхности тепловых сетей северного поселка, в котором проживает около 12000 человек; объем циркуляции охлаждающей воды более 630 м³./ч; подпитка до 200 м³/сутки. Шламовые отложения имели ярко выраженный пастообразный вид и служили средой обитания колоний бактерий, устойчивых к большой концентрации окислов железа. Шламовые отложения, в основном, концентрировались в квартирных тепловых регистрах. Система была настроена на подавление микробиологических объектов и показала свою высокую эффективность. На четверные сутки после ввода в эксплуатацию системы начался лавинообразный процесс разрушения многолетних шламовых отложений в квартирных тепловых регистрах. Флотационный реактор не успевал выводить шламовые отложения, поэтому заказчик был вынужден организовать веерный сброс теплоносителя из тепловых сетей по кварталам путем контролируемого слива в канализационные коллекторы насыщенных шламовыми отложениями водной среды до полного освобождения квартирных тепловых регистров и магистральных тепловых сетей от шламовых отложений. В последующем за более чем десятилетний срок эксплуатации образование новых шламовых отложений не наблюдается.

Пример 4

В качестве очищаемой поверхности служили сети охлаждения технологических жидкостей (закалочного масла) крупного металлургического комбината. Объем прокачиваемой воды более 2000 м³/час. Комбинат спроектирован и введен в начале прошлого века, проект не предусматривает оборотного цикла. Вода забирается из реки и после теплообменников охлаждения технологических жидкостей разводится по контурам охлаждения другого технологического оборудования комбината и в конечном итоге, через очистные сооружения, вся технологическая вода возвращается обратно в реку. На первых этапах работы комбината вся система охлаждения работала без замечаний, однако после изменения экологического состояния забираемой в реке воды в сетях контуров охлаждения стала интенсивно развиваться микрофлора. Шламовые отложения имели ярко выраженный илообразный характер, где в качества вяжущих выступали колонии простейших водорослей, кроме того, в иле присутствовали, начиная от простейших водорослей, рачков до мелкой рыбы и землеводных. Система очистки от отложений была настроена на подавление жизнедеятельности простейших водорослей и показала свою высокую эффективность. В течение двух лет постоянно наблюдался процесс разрушения многолетних илистых отложений, происходила очистка от отложений на всех рабочих поверхностях оборудования, на которые попадала обработанная водная среда. В течение года наблюдались толчкообразные выходы ила из сетей в очистные сооружения.

1. Способ очистки от минеральных, биологических и органических отложений, включающий электрохимическое воздействие на водные среды, очистку воды в герметичном флотационном реакторе с удалением части потока водной среды вместе с газами и коллоидными частицами, отличающийся тем, что на водную среду последовательно воздействуют радиальными электрическими полями не модулированными и/или модулированными импульсами с длительностью переднего фронта 2 нс - 20000 нс, длительностью заднего фронта 2 нс - 25000 нс, длительностью полочки 2 нс - 25000 нс, амплитудой импульсов от -1000 В до +1000 В, частотой 0,5-1,5×10⁶ Гц, замкнутыми магнитными полями неоднородной структуры вдоль прохода среды и структурированным объемом полостей прохода среды с магнитной индукцией 0,2-12 Тл поперек протока среды, повторно воздействуют радиальными электрическими полями, не модулированными и/или модулированными импульсами с длительностью переднего фронта 2 нс - 20000 нс, длительностью заднего фронта 2 нс - 25000 нс, длительностью полочки 2 нс - 25000 нс, амплитудой импульсов от -1000 В до +1000 В, частотой 0,5-1,5×10⁶ Гц, не модулированных и/или модулированных переменным напряжением от 0,5-50000 В частотой 0,5 Гц - 1500000 Гц, и (или), с учетом физико-химических свойств исходной среды, дополнительно модулированных последовательностью импульсов, фаза которых модулируется переменным током с частотой 0,5 Гц - 1500000 Гц, а также создаются во флотационном реакторе, в зоне прохождения водной среды, локальные зоны повышенной концентрации примесей и коллоидов.

2. Система для очистки от минеральных, биологических, органических отложений включает устройство, создающее электрическое поле между электродами, расположенными по оси трубы, и источники их питания, устройство с замкнутыми магнитными полями с периодической структурой вдоль потока среды, флотационный реактор при прохождении водной среды, в котором создаются локальные зоны повышенной концентрации примесей и коллоидов; насос для перемещения среды в динамическом режиме, смеситель, причем все устройства осуществляют воздействие на прокачиваемую через них насосом в кольцевом режиме.

3. Система для очистки поверхностей теплообмена по п.2, отличающаяся тем, что устройство, создающее радиальные электромагнитные модулированные или не модулированные поля вдоль потока среды, выполнено в виде трубы, по оси которой расположен электрод, создающий радиальные электрические не модулированные или модулированные поля посредством подачи на него от другого источника питания переменного напряжения 0,5-50000 В, частотой 0,5-1500000 Гц или дополнительно модулированного импульсами с длительностью переднего фронта 2 нс - 20000 нс, длительностью заднего фронта 2 нс - 25000 нс, длительностью полочки 2 нс - 25000 нс, амплитудой импульсов -1000 - +1000 В, частотой 0,5-1,5×10⁶ Гц или посредством подачи на него от другого источника питания последовательности импульсов, указанных выше параметров и/или, с учетом физико-химических свойств исходной среды, модуляцией фазы импульсов переменным током с частотой 0,5-1500000 Гц.

4. Система для очистки поверхностей теплообмена по п.2, отличающаяся тем, что устройство, создающее замкнутые магнитные поля с периодической структурой вдоль потока среды, представляет собой корпус, в котором вдоль его продольной оси расположены сегменты, собранные из постоянных магнитов, размеры которых - ширина, высота, длина - 1-100 мм, ориентированных по магнитному полю в одном и том же направлении, с заданными размерами ширины зазора между магнитами В1 и шириной магнита В2 в соотношении, определяемом физико-химическими свойствами среды и изменяющемся в пределах 1:4-1:150, расположенные в корпусе так, что в сечении плоскостью, перпендикулярной его оси, имеют следующий вид: три и более лепестков, наборов «гусиная лапка», наборов из параллелограммов, наборов из шестиугольников или комбинации из вышеперечисленных наборов, создающих замкнутое, постоянное по направлению (левое или правое вдоль протока среды) магнитное поле с индукцией 0,2-12 Тл.

5. Система для очистки поверхностей теплообмена по п.2, отличающаяся тем, что в флотационный реактор поток водной среды подается касательно в среднюю часть и выводится из реактора касательно по уровню выше входа, но на расстоянии, позволяющем образовываться в верхней части флотационного реактора газовому объему.