/
Text
охрана к
окружающей
среды
Д. И. Кучеренко
В. А. Гладков
Оборотное
водоснабжение
(Системы
водяного
охлаждения}
Москва Стройиздат 1980
ББК 38.761.1
К95
УДК 628.179 1-628.387
Печатается по решению секции литературы по инженерному оборудова-
нию редакционного совета Стройиздата.
Рецензент — канд, техн, наук П. П. Пальгунов.
Кучеренко Д. И., Гладков В. Л.
К95 Оборотное водоснабжение: (Системы водяного
охлаждения). — М.: Стройиздат, 1980. 168 с., ил.—
(Охрана окружающей среды).
Дана классификация систем оборотного водоснабжения. Описаны
методы очистки и обработки воды, мероприятия по борьбе с разруше-
нием конструкционных материалов, новые методы расчета режимов ста-
билизационной обработки воды. Освещены вопросы использования сточ-
ных вод в системах оборотного водоснабжения. Рассмотрены методы
технологического расчета и конструкции охладителей воды в системах
оборотного водоснабжения.
Книга предназначена для инженерно-технических работников про-
ектных, строительных и эксплуатационных организаций.
, 30210—266 ББК 38 761 1
К M7(0i)=80 187~80- 3206000000 бСЭЛ
© Стройиздат, 1980
ДМИТРИИ ИВАНОВИЧ КУЧЕРЕНКО
ВАЛЕРИИ АЛЕКСЕЕВИЧ ГЛАДКОВ
ОБОРОТНОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ
(СИСТЕМЫ ВОДЯНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ)
Редакция инженерного оборудования
Зав. редакцией И. П. Скворцова
Редактор Г. А. Лебедева
Мл. редактор А. А. Минаева
Внешнее оформление художника В. К. Сафронова
Технические редакторы Ю. Л. Ци.чанкова, Т. В. Кузнецова
Корректор Е. А. Степанова
И Б № 1698
Сдано в набор 08.01,80. Подписано в печать 19 06 80 Т 07489
Формат 60'',9o'/ir д. л. Бумага гип. Хз 1- Гарнитура «^Литературная'» Печать высокая
Печ. л. 10,5. Усл. печ. л. Ю.5. Уч.-изд. л. 11,57. Тираж 15.000 экз
Изд. № AVI—7256. Зак. № 1536. Цена 60 коп.
Стройиздат, 101142, Москва, Каляевская, 23а
Московская типография № 4 Союзполиграфпрома
при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли,
129011 Москва, Б. Переяславская ул., 46
ПРЕДИСЛОВИЕ
Системы водяного охлаждения, и в частности наиболее распро-
страненная их разновидность — системы оборотного водоснабжения,
являются одним из важнейших элементов технологического комп-
лекса предприятий многих отраслей промышленности: химической,
нефтеперерабатывающей, нефтехимической, газоперерабатываю-
щей, машиностроительной, металлургической и др. От качества
и эффективности работы систем оборотного водоснабжения зависят
производительность технологического оборудования, качество и се-
бестоимость продукта, удельный расход сырья и электроэнергии.
Таким образом, обеспечение качественной работы систем оборот-
ного водоснабжения дает возможность мобилизовать большие ре-
зервы производственных мощностей и добиться значительного повы-
шения эффективности и экономичности работы промышленных пред-
приятий, необходимость которого отмечена в решениях XXV съезда
партии и замечаниях Генерального Секретаря ЦК КПСС, Председа-
теля Президиума Верховного Совета СССР товарища Л. И. Бреж-
нева во время его поездки по городам Сибири и Дальнего Востока.
Широкое использование городских и производственных сточных
вод в системах оборотного водоснабжения и, следовательно, огра-
ничение сброса их в водоемы внесет значительный вклад в дело
охраны окружающей среды, являющееся, согласно новой Консти-
туции СССР, обязанностью каждого гражданина.
При эксплуатации систем оборотного водоснабжения нередко
возникают большие затруднения, обусловленные образованием раз-
личных отложений и обрастаний в теплообменных аппаратах, трубо-
проводах и градирнях. Эти отложения и обрастания образуются
вследствие физико-химических и биологических процессов, проис-
ходящих в системах. Большой ущерб промышленным предприятиям
наносят и процессы коррозии теплообменного оборудования и трубо-
проводов, а также разрушение конструкционных материалов гра-
дирен. Из изложенного очевидно, насколько актуальными являются
освещаемые в данной книге вопросы обработки воды для предотв-
ращения солевых и механических отложений, биологических обрас-
таний и коррозии в системах оборотного водоснабжения.
Значительное место в книге отведено также вопросам рациональ-
ного использования воды на промышленных предприятиях, проек-
тирования и строительства замкнутых циклов промышленного во-
доснабжения предприятий с использованием производственных и
городских сточных вод и разработки методов стабилизации и очист-
ки воды в этих специфических условиях.
Главы 1—6, п. 2 главы 7 и глава 9 написаны Д. И. Кучеренко;
глава 7 (за исключением п. 2), глава 8 и приложение— В. А. Глад-
ковым.
Авторы приносят большую благодарность доценту кафедры водо-
снабжения Московского инженерно-строительного института им.
В. В. Куйбышева канд. техн, наук П. П. Пальгунову за весьма цен-
ные замечания, сделанные им при рецензировании рукописи.
-- 3 -
Глава 1. СИСТЕМЫ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Системы оборотного водоснабжения подразделяются на откры-
тые, где вода охлаждается путем контакта ее с воздухом в градир-
нях, брызгальных бассейнах или прудах-охладителях, и закрытые,
в которых оборотная вода не имеет контакта с атмосферным возду-
хом и охлаждается в теплообменных аппаратах, испарителях холо-
дильных станций или в аппаратах воздушного охлаждения. Приме-
няются также системы оборотного водоснабжения, представляющие
собой комбинацию закрытых и открытых систем. В этих системах
внутренний контур (закрытый) заполняется обессоленной или умяг-
ченной водой, охлаждаемой в теплообменных аппаратах, связываю-
щих внутренний контур с наружным (открытым), где вода охлаж-
дается в градирнях.
В практике водоснабжения промышленных предприятий, особен-
но нефтеперерабатывающих и газоперерабатывающих заводов, полу-
чили распространение также открытые системы оборотного водоснаб-
жения в сочетании с прямоточными системами. В этом случае в пря-
моточные системы включают теплообменное оборудование, в кото-
ром продукт должен быть охлажден до возможно более низких тем-
ператур. После использования в прямоточных системах охлажден-
ная вода частично или полностью используется для добавления в обо-
ротные системы.
Наибольшее распространение в практике промышленного водо-
снабжения имеют открытые системы оборотного водоснабжения с
охлаждением воды в градирнях. Эти системы имеют ряд существен-
ных преимуществ. Они дают возможность:
рационально использовать водные ресурсы, сократив до мини-
мума забор воды из источников, что имеет огромное значение для
происходящего в настоящее время бурного развития промышлен-
ности в связи с характерным для многих промышленных районов
дефицитом воды;
сократить до минимума или исключить сбросы воды в источники
водоснабжения, а следовательно, и загрязнение последних.
1. ВОДНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМЫ
Система оборотного водоснабжения (рис. 1.1) состоит из охлади-
теля воды (градирни) 1, циркуляционного насоса 2 и теплообмен-
ных аппаратов 3. Вода, забирае-
мая из резервуара градирни,
циркуляционным насосом по-
дается в теплообменные аппара-
ты, где она нагревается, отни-
мая тепло от охлаждаемых тех-
нологических продуктов, и по-
ступает далее в градирню, в ко-
торой происходит испарительное
Рис. 1.1. Открытая система оборотного во-
доснабжения
4 —
охлаждение воды при контакте ее с воздухом. Затем вода снова
подается в теплообменные аппараты, и цикл повторяется.
Часть оборотной воды выводится из системы вследствие испаре-
ния, другая часть теряется в виде капельного уноса. Кроме того,
оборотная вода расходуется на продувку системы, на технологи-
ческие и другие нужды. Все эти потери компенсируются добавлением
в систему воды:
P-Pi + P2 + Ps, (1-1)
где Р — количество добавляемой воды; Р1У Р2, Pg — потери воды соот-
ветственно на испарение, капельный унос и сброс (продувку), выраженные
в процентах от расхода оборотной воды.
Потери воды из системы на испарение, унос и сброс характери-
зуют водный режим системы и называются параметрами водного
режима.
Потери воды на испарение Plf %, зависят от ряда факторов и оп-
ределяются расчетом. С достаточной для практики точностью этот
параметр может быть определен по формуле
Р^Ш, (1.2)
где А/ — разность температур оборотной воды, подаваемой в градирню и от-
водимой из нее, град; k — коэффициент, принимаемый в зависимости от тем-
пературы воздуха:
Температура воздуха, °C ... О 10 20 30 40
Значения коэффициента k . . . 0,1 0,12 0,14 0,15 0,16
Потери воды на унос Р2, %, для различных охладителей состав-
ляют:
Вентиляторные градирни с водоуловителями . . . 0,2—0,5
Башенные градирни, брызгальные градирни с решет-
ками ..............................................0,5—1
Открытые и брызгальные градирни с жалюзи . . . 1—1,5
Брызгальные бассейны производительностью, м3/ч:
более 500 . . ..............................1,5—2
до 500 ........................................ 2—3
Следует отметить, что современные конструкции водоуловите-
лей при хорошем качестве строительно-монтажных работ дают
возможность снизить капельный унос до величин, меньших 0,1%.
Кроме указанных параметров водного режима весьма сущест-
венными характеристиками систем оборотного водоснабжения явля-
ются также параметры теплового режима охладителей воды: тем-
пературы оборотной воды до и после градирни, разность (перепад)
этих температур, удельная тепловая нагрузка, разность температур
охлажденной воды и воздуха по смоченному термометру. Парамет-
ры теплового режима, нормируемые СНиП 11-31-74, представлены
в табл. 1.1.
— 5 —
Таблица 1.1
Тип охладителя Максимальная удельная тепловая нагрузка, тыс. ккал/(м2-ч) (тыс. Вт/м2) Рекоменду- емый пере- пад темпера- тур воды, град Минимальная разность тем- ператур охлажденной воды н воз- духа (по смо- ченному тер- мометру), °C
Пруды-охладители 0,2—0,4 (0,23—0,46) 5—10 10—12
Брызгальные бассейны 7—15 (8,12—17,4) 5—10 10—12
Башенные градирни 60-80 (69,6—92,8) 5—12 8—10
Вентиляторные » 80—100 (92,8—116) о HQ л _$
Примечание. Показатели даны для оборотной воды, поступающей
на охладитель с температурой не более 40—45° С.
2. СОЛЕВОЙ БАЛАНС
Солевой баланс систем оборотного водоснабжения имеет боль-
шое значение в практике эксплуатации этих систем. Концентрации
тех или иных солей, поступающих в системы оборотного водоснаб-
жения с добавочной водой, подвергаются изменениям, и зачастую
очень большим. Характер и величина изменений концентраций той
или иной соли в оборотной воде зависят от растворимости данной
соли, физико-химических процессов, происходящих с ней, водного
режима системы. При этом концентрации солей в оборотной воде за-
висят не только от типа принятого водного режима (с непрерывным
или с периодическим добавлением), но и от его параметров и вре-
мени, прошедшего с момента пуска системы.
Соли, поступающие в системы оборотного водоснабжения с до-
бавочной водой, следует разделять на две основные группы:
1) соли хорошо растворимые, не выпадающие в осадок в систе-
мах ни при каких условиях их работы (например, хлориды калия,
натрия, кальция, магния);
2) соли, которые вследствие недостаточной растворимости или
физико-химических превращений, претерпеваемых ими в системах
оборотного водоснабжения, при определенных условиях работы по-
следних могут выпадать в осадок (например, сульфат и бикарбонат
кальция).
Особый интерес представляют соли второй группы, поскольку,
выпадая в осадок в теплообменных аппаратах, трубопроводах и гра-
дирнях, они создают большие затруднения при эксплуатации сис-
тем оборотного водоснабжения и причиняют зачастую огромный ма-
териальный ущерб промышленным предприятиям, как это подроб-
но описано в последующих главах.
В связи с этим очевидно, что в процессе эксплуатации систем обо-
ротного водоснабжения нужно рассчитывать, какой должна быть
концентрация той или иной соли в данный момент времени при тех
— 6 —
или иных условиях работы системы, чтобы, сравнивая ее с факти-
ческой концентрацией, определить интенсивность выпадения соли
в осадок и своевременно принять необходимые меры для предотвра-
щения осадкообразования. Для того чтобы определить, какова
должна быть концентрация в оборотной воде какой-либо соли в за-
данный момент времени, необходимо знать закон изменения концент-
рации во времени и соответственно коэффициента концентрирования
солей, не выпадающих в осадок в системе, принимаемых за эталон.
3. МЕТОД РАСЧЕТА КОНЦЕНТР АДИН И КОЭФФИЦИЕНТОВ
КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ СОЛЕИ, НЕ ВЫПАДАЮЩИХ В ОСАДОК,
ПРИ НЕПРЕРЫВНОМ ДОБАВЛЕНИИ ВОДЫ
Количество воды, добавляемой в систему, равно общей сумме
потерь воды из системы и составляет:
Q — <h + <72 + (?3 = ~q0 (Pi + Рг + ^з)> (1-3)
где Q — расход оборотной воды в системе, м3/ч; qb q2, qs — потери воды из
системы соответственно на испарение, унос и сброс (продувку), м3/ч; Рх,
Р3 — те же потери, выраженные в процентах, от расхода оборотной воды.
Баланс хорошо растворимых солей, не выпадающих в осадок
в системе, может быть представлен следующим дифференциальным
уравнением:
dG = (7г + + 7з) - ЛЧ<?2 + <73) df, (1.4)
где dG — элемент прироста количества соли в системе; Цо — концентрация
соли в добавочной воде; N — концентрация той же соли в оборотной воде
в момент времени Z; dZ — элемент прироста времени.
Общее количество соли, растворенной в оборотной воде в момент
времени t, составит:
G =WN, (1.5)
где W — объем воды в системе оборотного водоснабжения, м3.
Дифференцируя уравнение (1.5), получим:
dG=lFdAG (1.6)
Объем воды в системе W может быть выражен через расход обо-
ротной воды Q и продолжительность одного цикла а следующим об-
разом:
W=aQ. (1.7)
Продолжительность одного цикла, т. е. одного оборота воды
в системе, прямо пропорциональна объему воды в системе W и обрат-
но пропорциональна расходу оборотной воды Q.
Решая совместно уравнения (1.4), (1.6) и (1.7), получим:
aQdN = Л/'о (ql + q, + </3) dt — N (q2 + <?3) d^, (1.8)
откуда
d'V __ TVp (<?i + <?2+?3) _ К (<?2 + <?3) i j g\
dt a Q a Q '
— 7 —
Поскольку qJQ, q2/Q, q3/Q равны соответственно Plt P2 и Р3,
выраженным в долях единицы, то уравнение (1.9) можно записать
в виде:
— + 2V = No . (1.10)
At а а
Интегрируя дифференциальное уравнение (1.10), получим зако-
номерность изменения концентрации хорошо растворимых солей
в оборотной воде при постоянном и непрерывном добавлении воды
в систему и сбросе из нее:
р,+р, t
N =.fl±fi±^No--------^-Noe а . (l.H)
На рис. 1.2 показана зависимость (1.11), из которой очевидно,
что концентрация солей в системе изменяется по кривой, асимпто-
тически приближающейся к предельному значению:
^др--14-гР <1Л2)
Разность между предельным и мгновенным значением концент-
рации в момент времени t вычисляется по формуле
р,+р. t
а • О-13)
Из анализа рис. 1.2 следует, что концентрация солей в оборот-
ной воде сначала возрастает очень быстро, но затем по мере ее уве-
личения возрастает и количество солей, выводимое из системы с уно-
сом и продувкой, в то время как с добавочной водой в систему посту-
пает все время одно и то же количество солей. Таким образом, про-
цесс нарастания концентрации солей в системе замедляется.
Предельная концентрация солей, которая может быть достигну-
та в системе, зависит, как следует из формулы (1.11), от параметров
водного режима Р1У Р2 и Ра.
Величины Р± и Р2, зависящие от перепада температур в охладите-
ле воды и от его конструкции, изменяются в условиях каждой кон-
кретной системы лишь незначительно; следовательно, изменение
предельной концентрации солей в оборотной воде может быть до-
стигнуто главным образом вариацией величины продувки Р3.
На рис. 1.3 показаны кривые изменения концентраций не выпа-
дающих в осадок солей в оборотной воде при различных значениях
продувки оборотной системы. Из анализа этих кривых следует, что
предельная концентрация солей, достигаемая при установившем-
ся режиме, будет тем меньше, чем больше величина продувки.
Из того же графика очевидно, что период времени работы системы,
необходимый для достижения практически установившегося режи-
ма, также обратно пропорционален величине продувки. Этот период
зависит также от продолжительности цикла.
Коэффициент концентрирования не выпадающих в осадок солей
равен отношению концентраций их в оборотной и в добавочной во-
- 8 —
Де. Значение этого коэффициента может быть получено путем деле-
ния обеих частей уравнения (1.11) на постоянную величину No:
h _____ N ^’х + ^’г+^’з Pi о а
Ни р — -- ' К
к,с Na Р2 + Р3 Р2+Р3
(1.14)
Закономерность изменения этого коэффициента будет, следова-
тельно, аналогична закономерности изменения концентрации не-
выпадающих в осадок солей W (см. рис. 1.2). Предельная величина
коэффициента концентрирования, достигаемая при установившем-
ся режиме, будет:
ь
Кк.с.пР
... Pi + Pz + Pg
Р%Л~Р з
(1.15)
Разность между предельной величиной этого коэффициента
и мгновенной его величиной в момент времени t, определяемой
по формуле (1.14), составит:
^к.с.пР ^к. С — ~ е ° ' (1.15)
'2Г'з
Величина этой разности, как следует из формулы (1.16), стремит-
ся к нулю при /->оо. Закономерности изменения коэффициента
концентрирования не выпадаю-
щих в осадок солей при раз-
личных величинах продувки бу-
дут аналогичны закономерно-
стям изменения концентрации
тех же солей (см. рис. 1.3).
Рис. 1.2. Изменение во времени концент-
рации хорошо растворимых солей в обо-
ротной воде при непрерывном и равно-
мерном добавлении воды в систему и
сбросе из нее
Рис. 1.3. Изменение концентрации хорошо
растворимых солей в оборотной воде при
различных значениях величии продувки в
условиях непрерывного и равномерного до-
бавления воды в систему и сброса из нее
Кривая 1 2 3 4 5
₽,+₽.. % 1 2 3 5 10
— 9 —
4. МЕТОД РАСЧЕТА КОНЦЕНТРАЦИЙ И КОЭФФИЦИЕНТОВ
КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ СОЛЕИ, НЕ ВЫПАДАЮЩИХ В ОСАДОК,
ПРИ ПЕРИОДИЧЕСКОМ ДОБАВЛЕНИИ ВОДЫ
Кроме рассмотренной выше наиболее распространенной системы
оборотного водоснабжения с непрерывной компенсацией потерь во-
ды эксплуатируются также системы с периодическим добавлением
воды и переменным объемом ее в системе.
Для этих систем характерны отличающиеся от описанных выше
закономерности изменения концентрации солей в оборотной воде,
обусловленные указанной особенностью их водного режима. Фор-
мула, отражающая закономерность изменения концентрации в обо-
ротной воде таких систем хорошо растворимых солей, не выпадаю-
щих в осадок, выведена Д. И. Кучеренко [22].
Рассмотрим сначала первую фазу работы системы после заполне-
ния ее водой, т. е. период, когда объем воды в ней уменьшается от
начального Го до некоторого заданного объема вследствие по-
терь воды из системы на испарение, унос и сброс. Мгновенный при-
рост количества солей, не выпадающих в осадок, выражается в дан-
ном случае дифференциальным уравнением
dG = - N (q2 + <73) d t, (1.17)
где dG — элемент прироста количества не выпадающих в осадок солей в си-
стеме; N — концентрация этих солей в произвольный момент времени i\
<?2’ Яз — абсолютные значения потерь воды из системы на унос и сброс.
Общее количество не выпадающих в осадок солей в системе G
в момент времени t будет:
G = WN, (1.18)
где W — объем воды в системе в момент времени t.
Дифференцируя уравнение (1.18), получим:
= (1.19)
dt dt dt 4
Решая совместно уравнения (1.17) и (1.19), имеем:
+ W + N(q2 + q3) = 0. (1.20)
dt dt
Изменение объема воды в системе описывается уравнением
W = Го - (?1 + <?2 + 7з) t, (1.21)
где qv — абсолютное значение потерь воды из системы на испарение.
Дифференцируя уравнение (1.21), получим:
^=-(?1 + д2+?з). (1.22)
(К
Для краткости записей в дальнейших выкладках примем следую-
щие обозначения:
(<7г + <7г + 7з) = A; (q2 Д q3) = В.
— 10 —
Решая совместно уравнения (1.20), (1.21) и (1.22) с учетом при-
нятых обозначений, получим:
— + — (Го — At)-\-NB=--0, (1.23)
di
откуда
ЛГ(В-Л) + —(Го—Л0 = 0. (1.24)
di
После разделения переменных дифференциальное уравнение
(1.24) преобразуется к виду:
. (125)
N W0-At v
Интегрируя почленно уравнение (1.25), имеем:
, (1.26)
J N J W0—At v 7
lnyv= —^-1п(Г0 —Л/) + С. (1.27)
А
Постоянную интегрирования С определяем из начального усло-
вия N — No при t = 0:
1пЛ^0 = ^А In Го + С, (1.28)
А
откуда
С==1пЛ/о—— 1п Го. (1.29)
А
Подставляя значение постоянной С в уравнение (1.27), получим:
InjV^z А=^1п(Го-ДО + 1п^—^^1пГ0. (1.30)
А А
Уравнение (1.30) преобразовываем следующим образом:
InAf — In Л70 = 2=21 [In (Го-Д/) — 1п Го], (1.31)
А
откуда
In 2L = 2z2in . (1.32)
No A IFo v
Уравнение (1.32) после потенцирования можно записать в виде:
В--Л [n W„ — At
N/No = e л п wa . (1.33)
Заменяя принятые обозначения А и В их значениями, получим
окончательную формулу для определения коэффициента концент-
рирования невыпадающих в осадок солей:
____41 ]п — (?1 4-^2+ ?л) i
N/N0 = e 4i + 4, + q, w, . (1.34)
— 11 —
*- Рис. 1.4. Изменение коэффициента кон-
центрирования хорошо растворимых солей
в оборотной воде без добавления воды в
систему оборотного водоснабжения
Рис. 1.5. Изменение коэффициентов кон-
центрирования хорошо растворимых солей
в оборотной воде
1 — без добавления воды в систему; 2 —
при периодическом добавлении; 3 — при
непрерывном равномерном добавлении
I
Закономерность изменения концентрации не выпадающих в оса-
док солей будет выражаться формулой
______<71 1п —(<7i +<7г + <7з) <
Д' = ;V0 е <71 + <72+<7э ^0 . (1.35)
Зависимость коэффициента концентрирования не выпадающих
в осадок солей от времени, описываемая формулой (1.34), представ-
лена графически на рис. 1.4.
Концентрация солей в оборотной воде изменяется в соответствии
с кривой, представленной на рис. 1.4, до определенного момента вре-
мени t, пока объем воды в системе не уменьшится до заданного зна-
чения После этого добавляется количество воды, необходимое
для пополнения системы до первоначального объема 1К0, вследст-
— 12 —
вне чего концентрация солей изменяется скачкообразно 1 * * от значе-
ния Nt, которое она имела в момент начала заполнения, до значе-
ния Nq, определяемого формулой
= ' (1 36)
К"7 О
После добавления воды начинается вторая фаза работы системы,
т. е. период, когда концентрация не выпадающих в осадок солей
снова изменяется в соответствии с формулой (1.35) с той лишь
разницей, что в качестве начальной концентрации принимается
уже не No, a определяемое по формуле (1.36).
Аналогичной будет закономерность изменения концентрации и
в последующих фазах работы системы, исходная концентрация солей
в которых будет'определяться по формуле (1.36) с той лишь разни-
цей, что вместо Nt будет подставляться каждый раз концентрация
солей, достигаемая в конце предыдущей фазы перед добавлением
воды,га вместо N’— концентрация после добавления.
Изменение коэффициента концентрирования не выпадающих в
осадок солей при периодическом добавлении воды в систему показа-
но на рис. 1.5. На этом же рисунке показана для сравнения кривая
изменения коэффициента концентрирования при непрерывной ком-
пенсации потерь воды в системе оборотного водоснабжения.
Сопоставление режимов работы систем оборотного водоснабже-
ния с постоянным и периодическим добавлением воды показывает,
что последний режим значительно хуже первого. При периодиче-
ском добавлении, как видно из рис. 1.5, коэффициенты концентриро-
вания колеблются в широких пределах и значительно превышают
те же коэффициенты при режиме с постоянным добавлением воды.
Это приводит к необходимости переменного дозирования реагентов
для стабилизационной обработки воды. Практическое осуществление
режима переменного дозирования реагентов представляет большие
трудности вследствие сложности закономерности изменения дозы.
Глава 2. КАРБОНАТНЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ
В СИСТЕМАХ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Нормальной работе систем оборотного водоснабжения препят-
ствуют различного рода отложения и обрастания, образующиеся
в теплообменных аппаратах, трубопроводах и градирнях в процес-
се эксплуатации. К наиболее часто встречающимся отложениям
относятся солевые, и в частности" отложения карбоната кальция,
образующиеся наиболее интенсивно на поверхностях теплообмена
вследствие нарушения углекислотного равновесия в системах обо-
1 Предполагается, что необходимое количество добавочной воды вводит-
ся в систему и перемешивается с оборотной водой в течение незначительного
периода времени.
— 13 —
ротного водоснабжения. Эти отложения типичны для систем, исполь-
зующих в качестве добавочной воду, обладающую значительной
жесткостью и щелочностью. Для систем, работающих на водах по-
верхностных источников невысокой жесткости, характерно развитие
биологических обрастаний, состоящих в основном из микроорганиз-
мов, в теплообменных аппаратах и водорослей в градирнях.
Значительную часть отложений в теплообменных аппаратах и
в резервуарах градирен составляют грубодисперсные примеси, вно-
симые в системы оборотного водоснабжения с воздухом (в градир-
нях) исдобавочной водой. Нередки случаи, когда отложения в теп-
лообменных аппаратах представляют собой конгломерат из указан-
ных выше компонентов и, кроме того, других составляющих, как
например, нефтепродуктов или иных охлаждаемых продуктов, по-
падающих в оборотную воду через неплотности теплообменной ап-
паратуры, а также продуктов коррозии. Отложения, образующиеся
на поверхностях теплообмена, приводят к резкому ухудшению
теплопередачи, вследствие чего снижается производительность тех-
нологических установок, ухудшается качество продукта, увели-
чиваются потери сырья и т. п.
1. ОТЛОЖЕНИЯ КАРБОНАТА КАЛЬЦИЯ.
УГЛЕКИСЛОТНОЕ РАВНОВЕСИЕ В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ
И В ОБОРОТНОЙ воде
Соединения угольной кислоты встречаются в том или ином виде
практически во всех природных водах и относятся к числу наиболее
существенных компонентов, определяющих химические свойства
воды. От того, в каких формах и в каких концентрациях присутст-
вуют соединения углекислоты в той или иной воде, зависит выбор
метода и режима подготовки воды для промышленного и питьевого
водоснабжения.
В природных водах углекислота может содержаться в следующих
основных формах: в виде свободной углекислоты, т. е. молекулярно-
растворенного в воде газа СО2 и недиссоциированных молекул Н2СО3,
бикарбонатных ионов НСОз и карбонатных ионов СОз~. Бикарбо-
натные и карбонатные ионы образуются при первой и второй ступе-
нях диссоциации угольной кислоты:
Н 2СО3 -> Н+ + НСО3-; (2.1)
НСО3~-> Н+ + СОГ. (2.2)
Уравнениями диссоциации угольной кислоты определяются ко-
личественные соотношения между различными формами присутст-
вующих в воде углекислых соединений. На основании закона дей-
ствия масс эти уравнения могут быть представлены в следующем
виде:
(н [Н+] /„со, 1НСО.П
------- --------’= Af,
(2.3)
[Н2СО3]
— 14 —
/HtH+l/cc. K-Oj-1
f HCO, ll"iCO;7 ]
(2.4)
где и Л'2 — константы первой и второй ступеней диссоциации угольной
кислоты; Др /НСо3 и /со, — коэффицьенты активности соответствующих
ионов; [Н+], [HCOJ], [Н2СО3] и [СЭ|~] — концентрации соответствующих
ионов и молекул.
Соотношение между различными формами углекислоты, как это
следует из уравнений (2.3) и (2Л), зависит при данной температуре
воды от активности ионов водорода, т. е. от pH раствора. Как видно
из рис. 2.1, при pH 4 вся имеющаяся в воде углекислота находит-
ся в форме, свободной СО2. При увеличении pH до 8,3 содержание
свободной углекислоты постепенно уменьшается почти до нуля, тог-
да как содержание бикарбонатных ионов возрастает от нуля до мак-
симума. В диапазоне pH = 8,3 4- 8,4 содержание ионов НСОз" до-
стигает 98% общего количества соединений угольной кислоты, тог-
да как на долю остальных компонентов (СО2 + СОз-) приходится
около 2%. При дальнейшем повышении pH содержание ионов СОз-
в воде увеличивается за счет уменьшения содержания ионов НСОз .
Свободная углекислота при pH > 8,4 практически отсутствует.
Указанное соотношение между различными формами углекислоты
наблюдается при стационарных условиях.
Изменение температурь^ раствора приводит к перераспределе-
нию различных форм углекислоты в соответствии с изменением кон-
стант приведенных выше уравнений. Увеличение или уменьшение
в растворе концентрации какого-либо компонента углекислотного
равновесия приводит к соответствующему изменению концентраций
других компонентов до тех пор, пока снова не установится равно-
весие согласно уравнению
2НСОГ СОз~ + СО2 + Н2О. (2.5)
Рис. 2.1. Соотношение различных форм углекислоты и pH раствора при температуре
25° С
— 15 —
Так, если в растворе, находящемся в состоянии/углекислотного
равновесия, уменьшить каким-либо образом концентрацию свобод-
ной углекислоты, то равновесие в уравнении (2.5) сдвинется вправо,
т. е. произойдет распад части бикарбонатных ионов с выделением
карбонатных ионов и свободной । углекислоты. Образовавшиеся
карбонатные ионы в результате реакции] с .обычно имеющимися
в природных водах ионами кальция дают малорастворимый карбо-
нат кальция, который, выделяясь в осадок, образует карбонатные
отложения:
Са2+ + СОГ -> СаСО31. (2.6)
Если же в раствор, характеризующийся равновесием углекислот-
ных соединении, ввести некоторое количество свободной углекис-
лоты, то равновесие в уравнении (2.5) сдвинется влево, т. е. при кон-
такте такой воды с карбонатом кальция часть его, соответствующая
избыточному количеству углекислоты, перейдет в раствор. Такие
воды называют агрессивными, а та часть избытка свободной углекис-
лоты над равновесной ее концентрацией, которая вступает в реак-
цию с СОз-, называется агрессивной углекислотой.
Агрессивные воды'причиняют не меньше затруднений ьпри экс-
плуатации систем, чем воды, склонные к карбонатным отложениям.
При контакте агрессивных вод с, бетоном происходит разрушение
последнего вследствие растворения его карбонатных компонентов.
В трубопроводах и теплообменных аппаратах такие воды вызыва-
ют растворение защитной карбонатной пленки, а затем и коррозию
металла.
Уравнение растворения карбоната кальция может быть представ-
лено в виде:
СаСО3 + СО2 + Н2О ^2 Са2+ +к2НСОз. (2.7)
Роль углекислоты в процессе коррозии заключается не только
в снижении pH раствора, но и в препятствии образованию прочных
окисных пленок. Отложения окислов при наличии в воде значитель-
ного количества углекислоты получаются рыхлыми и легко уносят-
ся водой. При недостатке в воде растворенного кислорода образует-
ся растворимый бикарбонат закиси железа:
Fe (ОН)2 + 2СО2 -> Fe (НСОд)2. (2.8)
При наличии в воде достаточного количества кислорода происхо-
дят гидролиз и окисление бикарбоната закиси железа и образование
гидроокиси железа:
4Fe (НСО3)2 + О2 + 2Н2О -> 4Fe (ОН)3 + 8СО2. (2.9)
Освобождающаяся в этой реакции углекислота снова переводит
в раствор образующийся в процессе коррозии гидрат закиси железа
и таким образом, препятствуя образованию защитной окисной плен-
ки, способствует интенсификации процесса коррозии.
Из сказанного очевидно, насколько существенно определение ус-
ловий углекислотного равновесия растворов, т. е. определение при
— 16 —
различной температуре и химическом составе воды равновесных кон-
центраций углекислоты, необходимых для предотвращения как рас-
пада бикарбоната кальция, так и растворения карбоната кальция.
Практические задачи обычно заключаются в определении склонно-
сти воды к какому-либо из этих процессов и в выявлении их интен-
сивности.
Формула для расчета концентраций равновесной углекислоты
была выведена И. Э. Апельциным [1]:
[СО2]Раан = —-------/нсо, /со, [НСОз]2 [Са2+], (2.10)
5СаС0,
где SCaCO — произведение растворимости карбоната кальция.
Из анализа формулы (2.10) следует, что концентрация равновес-
ной углекислоты зависит от следующих факторов:
температуры воды,1 поскольку от нее зависят /С2 и Scaco,;
концентрации ионов НСОз, которая для природных вод
с pH 8,3 может быть принята равной общей щелочности воды;
содержания выводе катионов>Са2+;1
общего солесодержания, так как от него зависит ' численное
значение ионной силы раствора, а следовательно, и коэффициентов
активности.
Для удобства пользования формула (2.10) была прологарифми-
рована и преобразована к виду:
1g (СОа)Рави — pKi—рК2 -j- р>$сасо, + 21g (НСОз) +
-Hg(Ca2+)—3/й = 5,96, (2.11)
"$\\где Р-$Сасо — отрицательный логарифм произведения растворимости кар-
^^боната кальция.
Практически в качестве показателя интенсивности карбонатной
агрессии принимается так называемый индекс насыщения, введен-
ный Ланжелье в 1936 г. Ланжелье дал формулу для расчета pH рав-
новесного насыщения воды карбонатом кальция pHs, т. е. такого
pH, при котором вода, содержащая в определенных концентрациях
ионы Са2+ и НСОз, находится в состоянии углекислотного равно-
весия.
Формула Ланжелье для определения pH равновесного насыще-
ния представлена И. Э. Апельциным в виде:
pHs = Д (0 — /2 (Са2+) - /8 ft (Р), (2.12)
где fl (0 = Р — р£Сасо, “ функция температуры воды; f2 (Са2+) =
= lg (Са2+) — функция содержания в воде катионов кальция; f3 (Щ) = 1g Щ—
функция щелочности воды; f4 (Р) = 2,5]/^— функция общего солесодер-
жания воды.
Величина индекса насыщения I или, как его иногда называют,
индекса Ланжелье равна разности между действительной величи-
— 17 —
Ной pH воды, определяемой анализом и величиной рН.$, определяе-
мой по указанным выше формулам:
/=pH-pHs. (2.13)
При pH >> pHs (/ > 0) вода склонна к образованию карбонатных
отложений; при pH <; pHs (/ <; 0) — к растворению карбонатных
отложений (коррозпонна); при pH ~ pHs (/ -= 0) вода не склонна
ни к одному из этих процессов (стабильна).
Индекс Ланжелье, таким образом, служит лишь качественным по-
казателем склонности воды к тому или иному процессу и не являет-
ся количественной характеристикой агрессивных свойств воды.
Итак, агрессивные свойства воды характеризуются двумя вели-
чинами: карбонатной емкостью воды, равной количеству карбоната
кальция, которое растворяется в единице объема данной воды при
переходе к равновесному состоянию, и интенсивностью карбонатной
агрессии, определяемой скоростью процесса растворения карбоната
кальция в начальный момент контакта его с агрессивной водой.
Эти величины, характеризующие агрессивные свойства воды
с разных сторон, взаимно дополняют друг друга. Из двух вод одна
может быть более агрессивной по одной из характеристик, а дру-
гая — по второй.
Обе указанные характеристики имеют большое значение. Выбор
же определяющей характеристики следует производить индивиду-
ально в каждом конкретном случае, руководствуясь следующими со-
ображениями. Если продолжительность контакта агрессивной воды
с карбонатом кальция достаточна для установления карбонатного
равновесия, определяющей является карбонатная емкость воды.
Если же продолжительность контакта мала, то величина карбонат-
ной емкости jie имеет практического значения и определяющей яв-
ляется другая характеристика агрессивных свойств воды — интен-
сивность карбонатной агрессии. Кроме этих двух экстремальных
случаев большое распространение в практике имеют промежуточ-
ные положения, когда продолжительность контакта агрессивной во-
ды с карбонатом кальция меньше необходимой для достижения рав-
новесия, но соизмерима с ней. В таких случаях необходимо считать-
ся^ обеими характеристиками агрессивных свойств воды.
В системах водяного охлаждения могут наблюдаться все три
указанных положения, так как продолжительность пребывания во-
ды в различных объектах этих систем колеблется в широких пре-
делах.
Для прямоточных систем основной характеристикой агрессив-
ных ,свойств воды является интенсивность карбонатной агрессии,
определяемая индексом Ланжелье, поскольку продолжительность
пребывания воды в трубопроводах этих систем не превышает обыч-
но нескольких минут, а в теплообменниках — нескольких секунд.
В системах оборотного водоснабжения выбор определяющей ха-
рактеристики зависит от качества добавочной воды:
— 18 -
1) система пополняется жесткой водой, склонной к образованию
карбонатных отложений, и, следовательно, производится обработка
воды кислотой или углекислотой; такая вода может быть агрессив-
ной вследствие излишней дозировки реагента на участке системы
от места его ввода до градирни, где из воды удаляется большая часть
углекислоты; определяющей характеристикой агрессивных свойств
здесь, как и для прямоточных систем, является индекс Ланжелье,
так как продолжительность пребывания воды на этом участке
не превышает нескольких минут;
2) система пополняется мягкой речной водой, не склонной к об-
разованию карбонатных отложений и обладающей агрессивными
свойствами даже после аэрации в градирне; определяющей харак-
теристикой агрессивных свойств воды является ее карбонатная ем-
кость, так как вода агрессивна во всей системе, где период пребыва-
ния ее, как правило, достаточен для установления углекислотного
равновесия.
При эксплуатации систем оборотного водоснабжения иногда
необходимо учитывать обе характеристики агрессивных свойств
воды. Например, в первом случае, когда период пребывания воды
на участке системы от места ввода реагента до градирни достаточно
велик, но все же меньше необходимого для установления углекис-
лотного равновесия, или во втором случае — при большой продувке
системы, когда продолжительность пребывания воды в ней недо-
статочна для установления углекислотного равновесия.
Следует отметить, однако, что при всем своем практическом зна-
чении случаи, когда вода систем оборотного водоснабжения содер-
жит свободную углекислоту в концентрации, большей равновесной,
и обладает агрессивными свойствами, имеют гораздо меньшее рас-
пространение, чем противоположные им, когда содержание углекис-
лоты в оборотной воде меньше равновесного и в системе происходит
распад бикарбонатов и образование карбонатных отложений.
Недостаток углекислоты в оборотной воде обусловливается
следующими причинами: потерей углекислоты из оборотной воды
при аэрации в градирне, нагреванием воды в системе и повышением
концентрации НСОу в оборотной воде вследствие ее частичного
упаривания.
Количество равновесной углекислоты, необходимой для удержа-
ния бикарбоната*кальция от распада, зависит, как следует из фор-
мулы (2.10), от температуры воды, а именно: чем выше температура,
тем необходима большая концентрация равновесной углекислоты.
Таким образом, если количество углекислоты, растворенной в при-
родной воде, используемой для пополнения оборотной системы, рав-
но равновесному, то при нагревании воды в системе этого количест-
ва уже будет недостаточно для поддержания углекислотного равно-
весия. В оборотных системах, кроме того, происходит также частич-
ное испарение воды в градирне, вследствие чего концентрация раст-
воренных в ней солей, и в частности бикарбонатов, повышается.
Чтобы удержать в растворе увеличившееся вследствие упаривания
— 19 —
количество бикарбонатов, необходимо также соответствующее до-
полнительное количество свободной углекислоты.
Однако в оборотную воду (при отсутствии ее химической обработ-
ки) не только не поступает дополнительных количеств углекислоты,
но и та'углекислота, которая содержалась в природной воде, в зна-
чительной мере удаляется в градирне, так что концентрация свобод-
ной СО2 в оборотной воде не превышает обычно нескольких мг/л.
Таким образом, в системах оборотного водоснабжения создается
большой дефицит углекислоты, что ’ведет к распаду бикарбоната
кальция и образованию карбонатных отложений.
В связи с этим представляет большой интерес количественная
оценка процессов распада бикарбоната кальция и образования
карбонатных отложений при нарушении углекислотного равновесия
в системах оборотного водоснабжения, а также определение’ дозы
углекислоты, необходимой для предотвращения этих процессов.
Аналогично тому, как при наличии в воде избыточной углекисло-
ты мы характеризовали ее агрессивные свойства интенсивностью
карбонатной агрессии и карбонатной емкостью воды, накипеобра-
зующие свойства воды при недостатке углекислоты следует также
характеризовать с разных сторон.
Одна из характеристик дает представление о тенденции к выде-
лению из раствора карбоната кальция в связи с нарушением угле-
кислотного равновесия. Другая характеристика, которую мы в даль-
нейшем будем называть глубиной распада, показывает, какое коли-
чество бикарбоната кальция распадается по реакции (2.7) при нару-
шении углекислотного равновесия.
Тенденция к осаждению карбоната кальция определяется лучше
всего величиной индекса движущей силы DFI (Driving-force-index)
и величиной мгновенного пеоесышения воды карбонатом кальция
ME (Momentary excess) по Даю. Эти величины определяются по
формулам:
ОИ=^Са*+ПСОГ]_. (214)
56aco,-24-W’ ’
МЕ = Ca2++COJ- _ |/<(СЩ-СОГу_(Са2+ +СОз ~) +S6aCO3• 1010
(2.15)
гцеСа2+и СО2- —концентрации ионов кальция и карбонатного иона, мг/л;
^СасО, — произведение растворимости СаСО3 (концентрационная кон-
станта).
Следует отметить, что величина ME достаточно хорошо характе-
ризует движущую силу процесса осаждения карбоната кальция лишь
в том случае, если концентрации ионов Са2+ и СОз“, выраженные
в эквивалентах, близки между собой. В противном случае в ка-
честве характеристики этой движущей силы может приниматься
только величина ДЕ1, которая является наиболее точной мерой тен-
— 20 —
денции воды к осаждению карбоната кальция, основанной на зако-
не действующих масс.
Известный интерес представляет вопрос о применимости индек-
са Ланжелье для этой цели. Индекс Ланжелье, так же как и ДР1,
является функцией отношения произведения концентраций ионов
Са2+ и СОз~ к произведению растворимости карбоната кальция.
Разница между ними состоит в том, что ДР1 определяется непосред-
ственно этим соотношением, а индекс Ланжелье — логарифмом его.
Поэтому вследствие своей логарифмической природы общепризнан-
ный показатель степени пересыщения или недосыщения воды карбо-
натом кальция — индекс Ланжелье не является показателем истин-
ной степени пересыщения воды этим соединением и не характери-
зует должным образом силы, вызывающей отложение карбоната
кальция.
Величина ДЕ1, характеризующая тенденцию к осаждению карбо-
ната’кальция, а тем самым в определенной мере и интенсивность
этого процесса при данном пересыщении, имеет большое практичес-
кое значение, особенно для систем прямоточного водоснабжения, где
вследствие малой продолжительности пребывания воды процесс об-
разования карбонатных отложений определяется именно этой вели-
чиной.
Что же касается систем оборотного водоснабжения, где период
пребывания воды гораздо больше и процесс образования карбонат-
ных отложений успевает произойти достаточно полно, то для них
определяющей характеристикой является глубина распада бикар-
боната кальция.
2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛУБИНЫ РАСПАДА БИКАРБОНАТОВ
И ИНТЕНСИВНОСТИ КАРБОНАТНЫХ ОТЛОЖЕНИИ
Концентрация хорошо растворимых солей в оборотной воде воз-
растает с момента пуска системы вследствие испарения части оборот-
ной воды в градирне. Что же касается бикарбоната кальция, то его
концентрация 'в оборотной воде при отсутствии специальной ее об-
работки возрастает, как правило, значительно медленнее или вообще
не возрастает, так как концентрация этой соли изменяется под влия-
нием двух противоречивых факторов: частичного испарения оборот-
ной воды, вызывающего повышение концентрации этой соли, и рас-
пада бикарбоната кальция с образованием выделяющегося в осадок
СаСО3, приводящего к уменьшению этой концентрации.
Разность между концентрацией бикарбонатов, которая была бы
при отсутствии распада их в системе, и действительной концентра-
цией назовем глубиной распада бикарбонатов. Выведем расчетные
формулы для определения глубины распада бикарбонатов и количе-
ства карбонатных отложений для двух основных вариантов работы
системы оборотного водоснабжения: для равномерного и непрерыв-
ного добавления воды в" систему и для периодического добавления
при равномерной и непрерывной продувке системы в обоих случаях.
— 21 —
Рис. 2.2. Изменение во времени концентрации
бикарбоната кальция в оборотной воде
1 — при отсутствии распада этой соли; 2 —
при наличии распада
Концентрация бикарбона-
тов в оборотной воде должна
была бы при отсутствии рас-
пада этой соли равняться
произведению концентрации
ее в добавочной воде и выве-
денного выше коэффициента
концентрирования не выпа-
дающих в осадок солеи. Раз-
ность между этой концентра-
цией и действительной кон-
центрацией бикарбонатов в
оборотной воде представляет
h.
собой глубину распада бикарбонатов
Величину этой разности в произвольный момент времени t
назовем мгновенной h', а при установившемся режиме — предель-
ной h глубиной распада:
Р2 I Р3
.Р1 + Р2+Р з-Р1 е а * \ . (2.16)
Р2+Р3 ^ + ^3 /
Л = Щд^1±^±з_Щоб, (2.17)
“ 2 I “з
где Щя — концентрация бикарбонатов в добавочной воде; Щос — действи-
тельная концентрация бикарбонатов в оборотной воде1, мг-экв/л.
При эксплуатации систем оборотного водоснабжения коэффици-
ент концентрирования не выпадающих в осадок солей может быть
определен также непосредственно по результатам химического ана-
лиза воды как отношение концентраций какого-либо иона такой соли
в оборотной и добавочной воде.
В качестве такого показателя выбирают обычно хлор-ион. При
этом формулы (2.16) и (2.17) принимают следующий вид:
Н' = Щя^~Щоб.
С1д
Н^щя^-що0,
С1д
(2-18)
(2.19)
где СЦЙ — мгновенная концентрация хлор-нона в оборотной воде в момент
времени б С10с — концентрация хлор-иона в оборотной воде при установив-
шемся режиме; С1д — концентрация хлор-иона в добавочной воде.
Характер изменения во времени глубины распада бикарбонатов
показан на рис. 2.2.
1 При pH < 8,3 концентрация бикарбонатов практически равна общей
'"лочцости воды.
— 22 -
Количество бикарбонатов х, распадающихся в системе оборот-
ного водоснабжения за определенный период времени, может быть
вычислено в общем случае по балансовому уравнению
х = Щоб{1 W + Il^P^P.+PJ-^At-
-(^ + P3)-7^-JzZ(o6(/)^-^o6(JK1 (2.20)
t,
где W — объем воды в системе; W — количество растворенных в обо-
0
ротной воде бикарбонатов в момент времени 1г; Щл (Pj + Р2 + Р3) Jqq- As —
количество бикарбонатов, введенных с добавочной водой в систему оборот-
Q
ного водоснабжения за период времени А/ = /2 — (Р2+Р3) j Що^) X
X di — количество бикарбонатов, выведенных из системы оборотного
водоснабжения со сбросом и уносом за тот же период времени; W—ко-
личество растворенных в оборотной воде бикарбонатов в момент времени /2.
Необходимость интегрирования при определении количества би-
карбонатов, выводимых из системы со сбросом и уносом, в общем
случае объясняется тем, что щелочность оборотной воды при неуста-
новившемся режиме является функцией времени. При установив-
шемся режиме, когда щелочность оборотной воды не изменяется во
времени, уравнение (2.20) значительно упрощается:
X = [(Л + Р2 + Р3) <-(Р2 + Рз)Щоб!А/. (2.21)
Совместное решение уравнений (2.21) и (2.17) дает формулу для
определения количества бикарбонатов, распадающихся в системе,
через глубину распада их при установившемся режиме:
х = (Р24-Р3)-^-ЛА^ (2.22)
Количество карбоната кальция X, выделяющегося при распаде
бикарбоната и образующего отложения в системе оборотного водо-
снабжения, может быть определено по формулам:
в общем случае
Х =
+ Щд(Рг + Р2 + Рз) А/-
-(Р2 + Рз) JЩо6 (0 а/-Що5t. w Е,
(2.23)
где Щоб{ и ^o6tj — щелочность оборотной воды в моменты времени
и t2; Е — эквивалентный вес карбоната кальция, равный 50 г/г-экв;
при установившемся режиме
X = [(Рх + Р2 + Р3) ЩД-(Р2 + Рз) Щоб1 ~ А/Г, (2.24)
— 23 —
или
А: = (/’2 + Рз)ч|-ЛА/£. (2.25)
При подстановке в эти формулы величин Ри Р.2, Р3 в %, Q в м3/ч,
А/ в ч, Щд и Щоб в г-экв/м3 значение X будет получено в граммах.
Интенсивность карбонатных отложений в системе в единицу време-
ни может быть пересчитана на 1 м3 оборотной воды.
Приведенные формулы для вычисления коэффициента концентри-
рования, глубины распада бикарбонатов и интенсивности карбонат-
ных отложений имеют большое значение, так как эти параметры
являются весьма существенными характеристиками работы систем
оборотного водоснабжения.
Следует отметить, что эти системы'работают в основном в усло-
виях установившегося режима, для которого указанные параметры
определяются по формулам (1.15), (2.17) и (2.24). Тем не менее
большой интерес представляет вычисление этих параметров и в об-
щем виде по формулам (1.14), (2.16), (2.23), так как промышленные
системы оборотного водоснабжения зачастую работают в условиях
неустановившегося режима, что обусловлено изменением парамет-
ров водного и теплового режима.
Глубина распада бикарбонатов в системах с периодическим до-
бавлением воды может быть в общем случае определена по формуле
____Ql Г ]п ^0 —(?1+?г + ?1) < 1
й = Щоб.ие ч>+ч.+ч.1 г. 1-Що5ь (2.26)
Где ЩОб{ и Щоб.и — щелочность оборотной воды соответственно в момент
времени /ив начале фазы, т. е. исходной воды для данной фазы1.
Количество карбоната кальция,г отлагающегося в системе обо-
ротного водоснабжения в период времени от ta до t (в пределах
одной фазы), следует определять по формуле
Х=Гщоб.ии70-(^ + ^)-“Х
t
xfao5(t)dt--IIIo6tWt]E, (2.27)
*и
где /и — время начала данной фазы; Wt — объем воды в системе в момент
времени t.
Для определения общего количества карбоната кальция, отло-
жившегося в системе, необходимо суммировать составляющие по
всем фазам:
Л
Хп=2Х,. (2.28)
1 Для первой фазы Щов.и ~ Щц-
— 24 —
При подстановке в формулу (2.27) величин Щоб в г-экв/м3,
IV7о и Wt в м3,'(Р2 + Р3)в % и Q в м3/ч количество карбонатных
отложений X будет выражено в граммах.
Понятие глубины'распада бикарбонатов и методы расчета этого
показателя, а также количеств карбонатных отложений, образую-
щихся в системах оборотного водоснабжения при различных режи-
мах их работы, даны Д. И. Кучеренко [22].
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ
НА ЩЕЛОЧНОСТЬ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ
И ИНТЕНСИВНОСТЬ КАРБОНАТНЫХ ОТЛОЖЕНИИ
На экспериментальных установках, построенных на двух нефте-
перерабатывающих заводах и на газоперерабатывающем заводе,
проводились исследования влияния различных факторов на ин-
тенсивность карбонатных отложений в системах оборотного водо-
снабжения при отсутствии обработки воды, а также исследования
по стабилизационной обработке воды кислотой, углекислотой, раз-
личными поверхностно-активными веществами и магнитным полем.
Химический состав вод, использованных в экспериментах, приве-
ден в табл. 2.1.
Ниже описаны опыты, проведенные с целью выявления факторов,
оказывающих наиболее существенное влияние на интенсивность
карбонатных отложений в системах оборотного водоснабжения, и оп-
ределения путей уменьшения интенсивности этого процесса при от-
сутствии обработки воды.
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ
НА ЕЕ ЩЕЛОЧНОСТЬ И ИНТЕНСИВНОСТЬ КАРБОНАТНЫХ
ОТЛОЖЕНИЙ
Влияние этого фактора изучалось на экспериментальных
установках, где использовались воды источников А, В, Г
(см. табл. 2.1).
В опытах с постоянным объемом воды в системе потери исходной
воды непрерывно компенсировались.
Влияние температуры на величину щелочности оборотной воды
и интенсивность карбонатных отложений изучалось также и при
другом водном режиме — при отсутствии компенсации потерь воды
(опыты на упаривание). Эти опыты выполнены на воде источника
А. (см. табл. 2.1).
Все опыты проводились при температуре оборотной’воды =
= 30-к80° С. Из анализа результатов опытов (рис. 2.3 и 2.4) видно,
что с повышением температуры оборотной воды интенсивность кар-
бонатных отложений в системе и глубина распада бикарбонатов
резко возрастают.
- 25 -
Таблица 2.1
Источник водоснабже- ния Щелоч- ность общая, мг-экв/л Жесткость Концентрация, мг/л X о. Окнсляе- мость, мг/л Концентрация H.S, мг/л
। общая, мг-экв/л Са« + , мг-экв/л Mg> + , мг-экв/л 1 О SO2- 4 а «о о о U-
А 4,1 6,5 4,3 2,2 23 76 8,4 5,6 -
5,1 3,9 1,2 1ь — Следы 8,1 5 —
5,5 7,2 4,5 2,7 42 0,1 8 1,3 —.
Б 5,9 7,4 4,6 2,8 46 94 0,15 8 — —
5,8 8 5,6 2,4 17/ 01 1 0,24 7,6 —
5,4 8 5,4 2,6 198 312 0,15 7,6 5,3 —
4,2 7,4 4,8 2,6 178 302 0,1 7,7 6,3 —
В 4,6 7 4,2 2,8 135 381 — 7,8 5,2 —
4,9 7,6 4,6 3 162 364 — 7,85 5,7 —
5,6 10 6 4 207 383 0,2 8 4,6 —
5,3 13,8 7,5 6,3 149 515 0,31 7,75 2,3 —
5,4 13,1 8,2 4,9 140 524 0,18 7,7 2 —
Г 5,4 12,4 7,2 5,2 184 504 0,24 7,7 2,1 —
5,2 Н.8 7 4,8 192 531 0,15 7,8 2,7 —
5,9 14,2 8,4 5,8 170 610 — 8 2,6 —
3,2 44,4 24,4 20 736 3082 0,37 7,6 3,2
Д 2,8 41,4 22,7 18,7 262 3134 0,24 7,5 — 2,8
3,2 44,2 24,2 20 ПО 2310 0,19 7,5 — Следы
4,4 14,4 9,6 4,8 240 874 о,п 7,4 1,2 Следы
4,4 20,4 11 9,4 238 1123 0,27 7,46 — 0,46
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ УГЛЕКИСЛОТЫ
НА ЩЕЛОЧНОСТЬ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ
И ИНТЕНСИВНОСТЬ КАРБОНАТНЫХ отложений
Опыты проводились с целью установления влияния малых кон-
центраций углекислоты, недостаточных для полной стабилизации
оборотной воды, на величину ее щелочности и интенсивность кар-
бонатных отложений в системе.
Проводились опыты на экспериментальной установке при раз-
личных значениях температур оборотной воды (40, 50 и 60° С) и
щелочности добавочной воды (2,5, 3,5 и 4,5 мг-экв/л). Температур-
ный и водный режимы систем в каждой серии опытов поддержива-
лись постоянными.
Из анализа результатов (рис. 2.5) следует, что в указанном диа-
пзоне щелочности добавочной воды и температуры оборотной воды
'чтрация углекислоты, даже при малых ее значениях, оказыва-
"ельное влияние на щелочность и интенсивность карбонат-
- 26 -
Рис. 2.3. Зависимость щелочности оборот-
ной воды и глубины распада бикарбона-
тов от температуры воды при отсутствии
ее обработки (источник А — см. табл. 2.1;
опыты на упаривание)
Цой,
мг-энВ/л
Рис. 2.5. Зависимость интенсивности кар-
бонатных отложений и щелочности обо-
ротной воды от концентрации в ней угле-
кислоты
а — при ^ = 40° С и Щд = 2,5 мг-экв/л;
б — прн Л = 60° С и Щд = 3,5 мг-экв/л
Рнс. 2.4. Зависимость интенсивности кар-
бонатных отложений и щелочности обо-
ротной воды от температуры воды при
отсутствии ее обработки (источник Г —
см. табл. 2.1; опыты с непрерывной ком-
пенсацией потерь воды из системы)
ных отложений в системе [22]. Это опровергает встречающиеся
в литературе утверждения о том, что углекислота в малых концент-
рациях не оказывает влияния на указанные величины.
— 27 —
ВЛИЯНИЕ ВОДНОГО РЕЖИМА СИСТЕ1Й
НА ЩЕЛОЧНОСТЬ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ
И ИНТЕНСИВНОСТЬ КАРБОНАТНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
Водный режим системы оборотного водоснабжения характери-
зуется потерями воды на испарение и унос Рг и Р2 и величиной сбро-
са воды из системы Р2. Этими параметрами водного режима опреде-
ляется, как показано выше, коэффициент концентрирования хорошо
растворимых солей, не выпадающих в осадок в системе оборотного
водоснабжения.
Коэффициент концентрирования бикарбонатов из-за частичного
распада этих солей при отсутствии обработки воды обычно значитель-
но меньше коэффициента концентрирования не выпадающих в оса-
док солей. Расхождение между этими двумя коэффициентами опре-
деляется интенсивностью процесса распада бикарбоната кальция.
При интенсивном процессе распада бикарбоната его коэффициент
концентрирования может быть даже меньше единицы, а щелочность
оборотной воды, следовательно, меньше щелочности добавочной
(&щ = С 1). При менее интенсивном распаде коэффициент
концентрирования бикарбонатов будет больше единицы, но в то же
время меньше коэффициента концентрирования не выпадающих из
оборотной воды в осадок солей, например хлоридов (1<7гщ < feci>
где/гС1 =С10б/С1д).
При эксплуатации систем оборотного водоснабжения зачастую
пытаются достигнуть уменьшения интенсивности карбонатных от-
ложений путем увеличения количества воды, добавляемой в систе-
му, и соответственно сброса из нее (продувки), руководствуясь при
этом распространенным мнением, что чем больше «свежей» воды до-
бавляется в систему, тем меньше в ней будет карбонатных отложе-
ний. С этим мы столкнулись, в частности, на нескольких системах
оборотного водоснабжения, где, по указанным соображениям, в си-
стемы добавлялись количества воды, достигавшие 20% расхода обо-
ротной воды. Рассмотрим этот вопрос на примере системы водоснаб-
жения одного предприятия.
Водоснабжение предприятия осуществляется двумя системами:
прямоточной и оборотной. Большинство установок получает воду из
оборотной системы водоснабжения, расход воды в которой составляет
4000 м3/ч, а щелочность оборотной воды—в среднем 3,8 мг-экв/л.
Несколько установок получают воду по прямоточной системе с рас-
ходом 800 м3/ч (вода, источника Б, см. табл. 2.1) и щелочностью
5,9 мг-экв/л. Вся отработавшая на этих установках вода, щелочность
которой изменяется незначительно, подается в систему оборотного
водоснабжения. Таким образом, расход добавочной воды в оборот-
ную систему достигает 20% при щелочности оборотной воды, мень-
шей щелочности добавочной. Интенсивность карбонатных отложе-
•»ий в системе при этих условиях достигает 75 кг/ч. Определим
*ш, какой была бы интенсивность этого процесса в том случае,
добавление воды в систему было сокращено до минимума,
— 28 —
необходимого лишь для компенсации неизбежных потерь воды на ис-
парение, унос и небольших утечек из системы (эти потери составляют
не более 100 м3/ч). Расчет по формуле (2.24) показывает, что интен-
сивность карбонатных отложений в системе при таком водном режи-
ме составила бы не более 20 кг/ч, т. е. в 3,7 раза меньше, чем при
прежнем 20%-ном добавлении воды.
Для проверки этого положения были проведены опыты на экспе-
риментальной установке. В этих опытах использовалась та же вода,
которая поступает и в систему оборотного водоснабжения. В первом
опыте было задано 20%-ное добавление воды, что соответствовало
водному режиму заводской системы оборотного водоснабжения
предприятия, тогда как во втором опыте добавление было сокращено
до величины, необходимой лишь для компенсации неизбежных по-
терь воды из системы. Результаты этих опытов полностью подтвер-
дили приведенный выше расчет: сокращение добавления воды в си-
стему привело в данном случае (при Щоб < Щя) к уменьшению
интенсивности карбонатных отложений примерно в 4 раза.
Это положение подтверждено также экспериментальными иссле-
дованиями, проведенными на полупроизводственных установках.
Опыты с использованием воды из источника А (см. табл. 2.1) про-
водились при температуре оборотной воды 60° С и добавлении воды
в систему от 3,5 до 44%. Щелочность оборотной воды в этих опытах
также была меньше щелочности добавочной. Анализ результатов
этих опытов (рис. 2.6) показывает, что и в данных условиях интен-
сивность карбонатных отложений в системе с увеличением добавле-
ния воды возрастает. Исследование влияния водного режима систе-
мы на интенсивность карбонатных отложений при Що6 < Щл было
выполнено нами также на экспериментальной установке на водах
источников В и Г (см. табл. 2.1). В серии опытов с водой источни-
ка В сброс (включая унос) воды из системы оборотного водоснаб-
жения изменялся от 0,44 до 7,9%, а расход добавочной воды со-
ставлял соответственно от 1,45 до9,1 %. В опытах с водой источника
Г сброс и добавление воды изменялись соответственно от 0,63 до
7,9% и от 1,83 до 9,1%. Температура оборотной воды была в обеих
сериях опытов перед градирней 40“ С, а после градирни 34° С. Ще-
лочность оборотной воды при всех изменениях водного режима
оставалась меньшей, чем щелочность добавочной. Из анализа
результатов этих опытов (рис. 2.7) очевидно, что в системах оборот-
ного водоснабжения, использующих указанные воды, при Що5 <;
<ЩЯ интенсивность карбонатных отложений возрастает с увели-
чением добавления воды в систему и соответственно сброса из нее.
Интересно отметить одну деталь. С увеличением добавления во-
ды в систему щелочность оборотной воды увеличивается, прибли-
жаясь к щелочности добавочной воды (см. рис. 2.7), а глубина рас-
пада бикарбонатов уменьшается (см. рис. 2.6), тем не менее интен-
сивность карбонатных отложений увеличивается. Это происходит
потому, что глубина распада уменьшается медленнее, чем увели-
чивается добавление воды в систему. Этим и объясняется общее по-
— 29 —
Рис. 2.6. Зависимость интенсивности карбонат-
ных отложений и глубины распада бикарбона-
тов от количества добавочной воды при Л =
= 60э С и Щоб < Щд (источник А — см.
табл. 2.1)
Рис. 2.7. Зависимость интенсивности карбонат-
ных отложений н глубины распада бикарбона-
тов от количества добавочной воды при tj =
== 40° С н Щоб Щи.
а — источник Г; б — источник В (см. t.io.i. 2.1)
вышение интенсивности карбо-
натных отложений, завися-
щее от обеих указанных ве-
личин.
Следует отметить также,
что уменьшение расхода до-
бавочной воды и связанное с
ним уменьшение интенсивно-
сти карбонатных отложений
(при Що0 < /Цд) приводят к
изменению теплового режима
системы оборотного водо-
снабжения. Количество теп-
ла, выводимое из системы за
счет продувки, уменьшается,
тем не менее общее количест-
во тепла, отводимое охлаж-
дающей водой, повышается
вследствие значительного уве-
личения коэффициента тепло-
передачи, обусловленного
уменьшением количества кар-
бонатных отложений на по-
верхностях теплообмена.
Вывод о целесообразности
сокращения количества доба-
вочной воды до минимума
(при Щоб < Щя) подтверж-
дается и анализом работы
ряда промышленных систем
оборотного водоснабжения.
Однако этот вывод не распро-
страняется на случаи, когда
щелочность оборотной воды
больше, чем щелочность доба-
вочной (Щоб>Щд). В этих
случаях, которые наблюдают-
ся, как правило, при обработ-
ке воды, интенсивность кар-
бонатных отложений в систе-
ме уменьшается и может быть
сведена к нулю при увеличе-
нии расхода добавочной воды
до определенных пределов.
Данные положения необходи-
мо учитывать при проектиро-
вании и эксплуатации систем
оборотного водоснабжения.
- 30 -
4. МЕТОДЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ КАРБОНАТНЫХ ОТЛОЖЕНИИ
Методы обработки воды для предотвращения карбонатных отло-
жений в системах оборотного водоснабжения могут быть разделены
на две основные категории: химические, наиболее надежные и по-
лучившие наибольшее распространение, и безреагентные, разрабо-
танные сравнительно недавно и не имеющие в настоящее время ши-
рокого распространения в практике водоподготовки для упомяну-
тых систем.
К химическим методам обработки воды относятся подкисление,
рекарбонизация, фосфатирование, комбинированная фосфатно-кис-
лотная обработка, умягчение воды — реагентное или посредством
ионного обмена.
К безреагентным методам относится обработка воды магнитным
полем, ультразвуком, высокочастотным электрическим полем.
ПОДКИСЛЕНИЕ
Метод обработки воды кислотой (подкисление) относится к числу
наиболее распространенных при эксплуатации систем оборотного
водоснабжения. Применяется этот метод для достижения углекислот-
ного равновесия в системе.
При обработке воды кислотой часть солей карбонатной жесткости
переводится в эквивалентное количество солей некарбонатной жест-
кости, хорошо растворимых в воде и при обычных условиях не вы-
падающих в осадок:
Са (НСО3)2 4- H2SOi = CaSO4 ф 2СО3 ф 2Н„О; (2.29)
Са (НСО3), ф 2НС1 = СаС12 ф 2СО3 ф 2Н3О. (2.30)
При этом, как видно из приведенных уравнений реакции, во-
первых, снижается концентрация бикарбонатов в воде, что обус-
ловливает уменьшение требуемого количества равновесной угле-
кислоты, а во-вторых, выделяющаяся при этой реакции свободная
углекислота способствует стабилизации бикарбонатов, остающихся
в воде после подкисления.
Метод подкисления применим во всем диапазоне встречающихся
в практике эксплуатации величин щелочности и общей жесткости
природных вод, а также коэффициентов концентрирования солей
в системах оборотного водоснабжения. При подкислении исключение
образования карбонатных отложений достигается при значительно
меньших, чем’прп рекарбонизации или фосфатировании, расходах
добавочной воды, которые могут быть сведены до величин, доста-
точных лишь для компенсации неизбежных потерь воды из системы
на испарение и унос в градирнях.
Принципиальное ограничение на величину коэффициента кон-
центрирования солей при подкислении, а следовательно, на расход
добавочной воды, налагается лишь по соображениям предотвраще-
ния сульфатных отложений.
- 31 -
Сульфат кальция не выпадает в осадок, если произведение актив-
ных концентраций ионов Са2+ и SO|_ в оборотной воде не превы-
шает произведения растворимости сульфата кальция:
PCca'CsO, k*. с < nPcaSOv (2.31)
где ПРСа5О —произведение растворимости сульфата кальция (констан-
та); при температуре воды 25—60° С принимается равным 2,4 • 10~•; f —
коэффициент активности двухвалентных ионов, принимаемый в зависимости
от [х (ионной силы раствора, г-ион/л) для оборотной воды:
И = С • К^С1 +Снсо3+Сыа) +4((?Са+ Смг +CsoJ]; (2.32)
Chcq3, CNa, CMg и ССз — концентрации ионов соответственно бикарбо-
натов, натрия, магния и кальция в добавочной воде, г-ион/л; и С£о — кон-
центрации ионов соответственно хлоридов и сульфатов в подкисленной
добавочной воде, г-ион/л:
при подкислении серной кислотой
Cci = Сс1)
Cso4 = Cso4 4
Ок
98 000
Ск
100 ’
(2.33)
(2.34)
при подкислении соляной кислотой
Cci = Cci 4
36 500
Cso4 = Cso4,
(2.35)
(2.36)
здесь Сс1 и CSOj — концентрации ионов соответственно хлоридов и суль-
фатов в добавочной воде до подкисления, г-ион/л; Дк — доза кислоты, мг/л
(2.37)
X с /
здесь Ск — содержание H2SO4 или НС1 в технических кислотах, %; е —
эквивалентная масса кислоты, мг/мг-экв; для серной кислоты — 49, для соля-
ной — 36,5.
Предельно допустимая величина коэффициента концентрирова-
ния’солей feK.c рассчитывается из условия, определяемого неравен-
ством (2.31). Следует отметить, что влияние комплексообразования
и~ поверхностно-активных веществ, позволяющих'повысить допусти-
мую величину коэффициента концентрирования солей, принимает-
ся в запас.
Коэффициенты активности двухвалентных ионов при различных
значениях ионной силы раствора приведены'в табл. 2.2.
Исходя из условия предотвращения сульфатных отложений опре-
делены максимально допустимые' величины коэффициентов концент-
рирования для систем оборотного водоснабжения одного из хими-
ческих комбинатов при подкислении серной и соляной кислотами.
Химический состав добавочной воды, используемой в оборотной си-
стеме комбината, следующий: щелочность — 2,8 мг-экв/л; С1~ —
— 32 —
Таблица 2.2
ц f । ц /
0,01 0,67 0,08 0,41
0,02 0,58 0,00 0,39
0,03 0,53 0,10 0,38
0,04 0,50 0,11 0,36
0,05 0,47 0,12 0,35
0,06 0,45 0,13 0,34
0,07 0,43
80 мг/л; SO4- — 84 мг/л; Са2+ — 4,8 мг-экв/л; жесткость общая —
6 мг-экв/л; pH = 7,5, солесодержание 5доб — 463 мг/л. Величина
потерь воды на испарение Рг = 1,2%.
При подкислении серной кислотой непосредственное определение
предельно допустимой величины &к с, при которой будет достигнут
предел растворимости CaSO4, по формуле (2.31) не представляется
возможным, так как концентрация сульфатного иона Cso4, входя-
щая в эту формулу, является функцией дозы кислоты. Доза в свою
очередь зависит от щелочности оборотной воды, а последняя опреде-
ляется значениями заданных параметров водного режима системы,
то есть коэффициентом концентрирования солей. Кроме того, коэф-
фициент активности ионов / является функцией ионной силы раст-
вора, тоже зависящей от Cso,, которая является функцией коэффи-
циента концентрирования. Поэтому искомая предельно допустимая
величина feK с определяется методом последовательных приближе-
ний.
Задаемся последовательно разными параметрами водного режима
системы Р и Рг, а следовательно, и соответствующими коэффициен-
тами kK c. Для каждого параметра определяется щелочность оборот-
ной воды Щсб*. Затем по формуле (2.37) определяется доза кислоты
Дк, а по формуле (2.34) — концентрация сульфатного иона^Сзо4-
После этого по формуле (2.32) рассчитывается ионная сила раствора
п и по табл. 2.2 находится коэффициент активности двухвалентных
ионов /, необходимый для определения по формуле (2.31) левой части
уравнения, которая не должна превышать предела растворимости
CaSO4, т. е. величины 2,4-10-5. Таким образом, получена зависи-
мость произведения активных концентраций ионов Са2+ и SO|-
в оборотной воде от коэффициента &к с (рис. 2.8).
По рис. 2.8 находят произведение активных концентраций ио-
нов Са2+ и SOJ-, примерно равное произведению растворимости
сульфата кальция (2,4-10-5) при kK C =4. Эта величина £к.с при
подкислении серной кислотой и будет предельно допустимой для пре-
дотвращения сульфатных отложений.
Определение допустимой величины коэффициента концентриро-
вания при подкислении соляной кислотой производится также по ме-
* Определение щелочности приведено далее.
2 Зак. 1536
— 33 —
Рис. 2.8. Зависимость произведения
активных концентраций ПК ионов
Са2+ и SOf^oT коэффициента кон-
центрирования солей в системе
Рис. 2.9. Зависимости коэффициента концентри-
рования солей от расхода добавочной воды Р,
подаваемой в систему оборотного водоснабже-
ния, при потерях воды на испарение Р)
1 - Pi =0,5%; 2-Р. = 0,8%; 3 - Pi = 1,2%
тодике, приведенной выше. Учитывая, что при подкислении соля-
ной кислотой концентрация сульфатов в оборотной воде будет зна-
чительно меньше, чем при подкислении серной кислотой, целесооб-
разно проверять возможность образования сульфатных отложений
сразу при максимально достижимом в данных условиях коэффици-
енте концентрирования, равном 9 и уж во всяком случае большем,
чем kK с = 4, допустимом для серной кислоты.
Величина р, рассчитанная по формуле (2.32), составляет 0,108.
Ей соответствует коэффициент активности двухвалентных ионов
f ~ 0,36 (см. табл. 2.2). Произведение активных концентраций
ионов Са2+ и SOI' при kK с =9 составляет 2,17- 10-э, что меньше
произведения растворимости сульфата кальция 2,4- 10'5 в рассмат-
риваемом диапазоне температур. Таким образом, при подкислении
соляной кислотой даже при коэффициенте концентрирования,
равном 9, не будет сульфатных отложений в системах оборотного
водоснабжения с добавочной водой указанного химического состава.
Анализ зависимостей коэффициента концентрирования от расхода
Р добавочной воды (рис. 2.9) при различных значениях потерь воды
на испарение Р{ показывает, что экономия добавочной воды, дости-
гаемая за счет повышения kK с, далеко не одинакова в различных ди-
апазонах значений последнего. В области низких значений (менее 2)
даже незначительное повышение feK.c приводит к большой эконо-
мии добавочной воды. В области высоких значений (йк-с > 4), наобо-
рот, даже большое повышение коэффициента дает лишь незначитель-
ную экономию добавочной воды. В этом можно убедиться на приме-
ре зависимости kK f (Р) при Рг = 1,2% (см. рис. 2.9). Повыше-
ние коэффициента kK г всего с 1,05 (точка А) до 1,3 (точка Б) поз-
воляет снизить количество добавочной воды с 25,2 до 5,2%, т. е.
— 34 —
сэкономить 20% добавочной воды. Повышение kK,г с 4 до 9 (точки
В и Г) позволяет сэкономить лишь 0,25% добавочной воды, но это
повышение приводит к резкому (более чем в два раза) увеличению
солесодержания оборотной воды.
Таким образом, параметрами водного режима системы оборот-
ного водоснабжения при подкислении задаются исходя из водных
ресурсов предприятия, ограничений, налагаемых из условий предот-
вращения сульфатных отложений, и экономических соображений,
изложенных выше.
Доза кислоты рассчитывается в зависимости от выбранных пара-
метров водного режима и химического состава добавочной воды.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЗ КИСЛОТЫ
ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ОБРАБОТКИ ВОДЫ
При выводе расчетной формулы исходим из следующих уравне-
ний 12]:
концентрация равновесной углекислоты
(СО2)об = ---/Йсо3 fca [НОД2[Са2+], (2.38)
'М ЛСаСО3
где kj, k2 и SCaC0 — коэффициенты, зависящие от температуры воды,
охлажденной в градирне;
содержание СО2 в оборотной воде
100 _ р р
(СО2)о0 (СО2)охл + ((СО2)Д 4- (СО2)„1, (2.39)
1U <J 1 ии
где (СО2)охл и (СО2)Д — содержание СО2 в воде, соответственно прошедшей
градирню и в добавочной, мг/л; Р — расход добавочной воды, % от расхода
оборотной воды; (СО2)П — количество СО2, выделяющейся в результате под-
кисления воды, мг/л:
(СО.2)п = 44(щд-^<6); (2.40)
концентрация кальция, мг-экв/л, в оборотной воде при равновес-
ном режиме
Саоб-—Р-~Сад, (2.41)
"—Г J
где Сад — концентрация кальция в добавочной воде, мг-экв/л.
Для упрощения выкладок уравнение (2.38) представим в виде:
Щоб = А/(С02)об2, (2.42)
где
N~(—Л1-5саС°3—у/2_ (2.43)
\WhcO3 Да^аоб/
Из уравнений (2.39) и (2.40) имеем:
ЮЭ__р р г / р р \ I
(CO2)oG = ]-^-0[(СО2)д + 44^д-^ПЩо0)]. (2.44)
— 35 —
Решая совместно уравнения (2.42) и (2.44), получим:
X
X |//-^^(С02)охл+^[(С02)д + 44(щд--^Щоб)] •
(2.45)
Возведя в квадрат обе части уравнения (2.45), получим квадрат-
ное уравнение относительно искомой величины Шо0:
Щ02б - 0,44 А'2 (Р - Рх) Щов - [0,01 А/2 (100 - Р) (СО2)охл Д
4-0 01 Л72 Р (СО,) — О 44ЛА2РШ 1 = 0 (2 46)
Из уравнения (2.46) найдем:
Що6^-0,22^(Р-Р1) +
+ 0,1А | 4,84№ (Р - Ptf+(100 - Р) (СО2)охл + Р (СО2)Д Д 44РЩД.
(2.47)
Выразим, как это принято в практике водоподготовки, концент-
рации Са2+ и СО2 в мг/л, концентрацию НСОз в мг-экв/л и подставим
в формулу (2.43) значения коэффициентов активности /нсо, и /Са,
равные соответственно 10—о.згу. и ю~2> Д. После этих преобразова-
ний формула (2.43) примет вид:
^СаСоз-!06+3/\
1 , 1^2 СЭдб
Для удобства вычислений по формуле (2.48) представим ее
в виде:
N = Ф/ (Саоб)1/2, (2.49)
где
(2.48)
/ Ч^СаСОз-106 + 3У/2
ф \ 1.1Й2 /
(2.50)
являющееся функцией температуры и общего солесодержания воды,
может быть определено по табл. 2.3, а Саоб — по формуле (2.41).
Вычислив по формуле (2.47) величину равновесной щелочности
оборотной воды, устанавливающейся при заданных параметрах вод-
ного режима системы, определяем далее необходимую дозу кислоты
в расчете на 1 л добавочной воды по формуле (2.37).
Для систем оборотного водоснабжения, использующих в качест-
ве добавочной воду, содержащую поверхностно-активные вещества,
доза кислоты, необходимая для предотвращения карбонатных отло-
жений, определяется экспериментально, как показано ниже.
Кислота может быть введена как в добавочную, так и в оборотную
воду после охлаждения последней на градирнях или перед ними.
Введение кислоты в добавочную воду предпочтительнее, чем в обо-
— 36 -
Т а б лица 23
Температура охлажденной соды t-. С Значение ф прн общем солесодержанин воды, .мг/л
200 400 600 800 1000
15 8,23 9,02 9,67 10,37 10,97
20 7,71 8,45 9,06 9,7 10.28
25 7.26 7,95 8,53 9,13 9,66
30 6,81 7,46 7,98 8,56 9,07
35 6,36 6,97 7,47 7,98 8,48
40 5,92 6,5 6,97 7,47 7,91
ротную, поскольку это дает возможность эффективнее вести процесс
подкисления и гораздо быстрее выявлять отклонения доз кислоты от
заданных оптимальных значений. Действительно, при введении
кислоты в добавочную воду щелочность ее снижается на величину,
соответствующую дозе этого реагента, и любое изменение дозы (от-
клонение ее от заданной величины) можно немедленно обнаружить
по щелочности подкисленной добавочной воды. При подаче же кисло-
ты в оборотную воду отклонение дозы от оптимальной обнаруживает-
ся со значительным запаздыванием, обусловленным большим объе-
мом воды в системе. В результате несвоевременной корректировки
дозы могут появиться карбонатные отложения в системе (при недо-
статочной дозе) или коррозия теплообменной аппаратуры и трубо-
проводов (при избытке кислоты), и в обоих случаях промышленным
предприятиям будет нанесен большой ущерб.
Вопрос о выборе места введения кислоты (или подкисленной до-
бавочной воды) — до или после аэрации воды в градирне — требу-
ет более подробного рассмотрения. При введении кислоты в оборот-
ную воду после аэрации ее в градирне (в резервуар градирни или в
приемную камеру насосов, подающих воду на технологические ус-
тановки) углекислота, выделяющаяся при взаимодействии кисло-
ты с бикарбонат-ионами воды, сохраняется в оборотной воде на всем
пути ее движения до водораспределительного устройства градирни
и удаляется в значительной мере при аэрации воды в градирне.
Концентрация углекислоты в оборотной воде до градирни и тем бо-
лее после градирни бывает обычно небольшой — в пределах не-
скольких мг/л. При подаче же кислоты в оборотную воду (в часть
ее потока) непосредственно перед аэрацией последней в градирне
концентрация углекислоты после градирни и по всему циклу прак-
тически равна нулю. В оценке влияния на стабильность оборотной
воды небольших концентраций углекислоты, сохраняющихся в
ней при подкислении после аэрации в градирнях, нет единого мне-
ния, поэтому нами была проведена серия экспериментов.
Опыты проводились в широком диапазоне параметров водного
режима системы, при различных температурах оборотной воды
(30, 40, 50, 60°С) и дозах кислоты (4,1; 3,1; 2,1; 1,1-мг-экв/л).
— 37 —
Методика проведения опытов была следующей. На первом этапе
подкисленную добавочную воду подавали под уровень воды в гра-
дирню, при этом вся углекислота, содержащаяся в добавочной воде,
поступала в оборотную воду, где концентрация ее находилась в пре-
делах нескольких мг 'л в зависимости от дозы кислоты и водного ре-
жима системы. На втором этапе углекислоту почти полностью уда-
ляли из добавочной воды путем аэрации последней перед подачей
в систему, в результате чего концентрация углекислоты в оборот-
ной воде уменьшалась практически до нуля. По разности величин
щелочности оборотной воды и интенсивности карбонатных отложе-
ний на обоих этапах судили о стабилизирующем воздействии ука-
занных небольших количеств углекислоты.
Кроме экстремальных режимов первых двух этапов в большин-
стве опытов данной серии задавали промежуточные режимы с час-
тичным удалением углекислоты из добавочной воды. Деаэрации
подвергали часть расхода добавочной воды (х/4, х/3, х/2, 2/3, 3/4),
а остальное ее количество подавали под уровень воды в резервуар
градирни. По данным двух экстремальных режимов и ряда проме-
жуточных устанавливали характер зависимостей интенсивности
отложений и щелочности оборотной воды от концентрации в ней
углекислоты.
Анализ результатов этих опытов показывает, что во всем иссле-
дованном диапазоне температур, доз кислоты и параметров водного
режима углекислота, даже при небольших ее концентрациях в обо-
ротной воде, обладает существенным стабилизирующим воздейст-
вием и оказывает значительное влияние на щелочность оборотной
воды и интенсивность карбонатных отложений в системе. Особенно
существенно стабилизирующее воздействие малых концентраций
углекислоты сказывается в области невысоких температур, где эти
концентрации составляют значительно большую часть от равновес-
ных, чем при высоких температурах [22].
Таким образом, результаты этих опытов служат опровержением
утверждения Г. Е. Крушеля о том, что стабилизирующее воздейст-
вие углекислоты, выделяющейся при подкислении, незначительно
и не имеет существенного значения.
В результате этих экспериментов становится очевидным преиму-
щество введения кислоты (или подкисленной добавочной воды) в обо-
ротную воду после ее аэрации в градирне. В этом случае необходи-
ма меньшая доза кислоты, чем при введении кислоты в оборотную
воду перед градирней. Однако последняя схема имеет свое преиму-
щество: она менее чувствительна к передозировке кислоты и, таким
образом, безопаснее, поскольку агрессивная углекислота, выделяю-
щаяся в случае перекисления, сразу же удаляется из системы при
аэрации воды в градирне.
— 38 —
РЕКАРБОНИЗАЦИЯ
Метод рекарбонизации основан на достижении углекислотного
равновесия введением в воду углекислоты в количестве, необходи-
мом для стабилизации бикарбоната кальция, содержащегося в обо-
ротной воде при данном химическом составе добавочной воды и оп-
ределенных параметрах водного режима системы.
При рекарбонизации щелочность добавочной воды не снижается,
поэтому концентрации равновесной углекислоты, пропорциональ-
ные ЩдСая и &k.c, могут достигать значительных величин.
При высоких значениях Щл, Сад и /гк с концентрации углекислоты,
необходимые для равновесия, достигают даже предела растворимо-
сти углекислоты в оборотной воде при данной температуре. Значе-
ния kK C, соответствующие этому состоянию, обусловливают теоре-
тический предел применимости метода рекарбонизации. При боль-
ших значениях коэффициента концентрирования уже не представ-
ляется возможным растворить в оборотной воде необходимое для
равновесия количество углекислоты, и в системе будет наблюдаться
распад бикарбонатов.
Это обстоятельство значительно ограничивает область примене-
ния метода рекарбонизации. Так, при щелочности добавочной воды
5 мг-экв/л и солесодержании 700 мг/л предельное значение kK с
при нагреве воды до 40° С и отсутствии в ней поверхностно-актив-
ных веществ составляет 2,9. Практически достижимые значения коэф-
фициента /гЕ.с при равновесных режимах будут значительно мень-
шими вследствие трудности достижения концентраций углекислоты
в оборотной воде, равных пределу насыщения.
Теоретически область применения рекарбонизации ограничена
растворимостью углекислоты в воде, однако практически она огра-
ничена в еще большей мере вследствие того, что затраты на пере-
качивание воды через насыщающее устройство (эжектор, скруббер)
значительно возрастают с увеличением необходимой концентрации
углекислоты, так что этот метод по технико-экономическим сообра-
жениям может быть конкурентоспособным с подкислением лишь
при небольшой щелочности добавочной воды и невысоком коэффи-
циенте концентрирования солей.
Метод рекарбонизации дымовыми газами или газообразной угле-
кислотой применим при щелочности добавочной воды до 3—3,5
мг-экв/л и коэффициентах концентрирования, не превышающих 1,5.
Характерной особенностью метода рекарбонизации, как показа-
но нашими исследованиями, является значительное уменьшение ко-
личества углекислоты, необходимого для стабилизационной обра-
ботки оборотной воды, с увеличением добавления воды в систему при
прочих равных условиях. Это объясняется тем, что количество уг-
лекислоты, выводимое из системы со сбросом, пренебрежимо мало
по сравнению с количеством ее, теряемым оборотной водой в градир-
не, а необходимая концентрация углекислоты в оборотной воде
резко уменьшается с увеличением добавления воды в систему.
— 39 —
В этом и состоит существенное отличие метода рекарбонизации
от метода подкисления, при котором расход реагента возрастает
с увеличением расхода добавочной воды.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЗ УГЛЕКИСЛОТЫ
ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ
При выводе расчетной формулы для определения дозы углекис-
лоты [21, необходимой для стабилизационной обработки оборотной
воды, воспользуемся уравнениями (2.41) и (2.42), а также следую-
щими зависимостями:
содержание СО2 в оборотной воде
(СО2)об = -—(СО2)охп + (СО2)Д + (СО2)Рек, (2.51)
где (СО2)рек — количество углекислоты, вводимое в оборотную воду при ре-
карбонизации;
щелочность оборотной воды
“ дтЬг щ«' (252)
Решая совместно уравнения (2.42) и (2.52), получим:
щ2
(СО,)об =-----. (2.53)
' 00 №[(Р—Pi)/P]2
Подставляем (СО2)о0 в уравнение (2.51):
-----= 100~Р- (СО2)охп + — (СО2)Д + (СО2)ргк, (2.54)
№ [(Р—РД/Р]2 100 ' 100 v д
откуда
(СО,)М-Д? (С0!)„—^(СО,)Д. (2.55)
Величину N можно определить по формуле (2.49) с помощью
табл. 2.3 или по формуле (2.48).
В расчетах по формулам (2.47) и (2.55) приходится учитывать со-
держание углекислоты в охлажденной воде после градирни (СО2)охл.
Эта величина зависит от концентрации углекислоты в воде, посту-
пающей в градирню, интенсивности аэрации, плотности орошения
в градирне и от других факторов.
Для наиболее часто встречающихся условий работы градирен
(плотность орошения 10м3/м2 в 1 ч; перепада температур Ai = 6-^-8°C
величину (СО2)охл можно принимать в соответствии с табл. 2.4,
составленной по нашим экспериментальным данным при исследова-
ниях на полупроизводственных и промышленных системах оборот-
ного водоснабжения.
- 40 -
Таблица 2.4
Метод Щд. мг-экв/л Содержание (СО2) л при коэффициентах концентрирования солей k f
1,2 1,5 2 2,5 3
Для солесодержания 1000 мг/л
3 3 2,4 2,2 2 1,9
Подкисление 4 4,5 3,9 3,2 2,9 2,8
5 7,5 5,3 4,3 3,8 3,6
3 5 8 22 29 30
Рекарбонизация 4 10 22 30 33 36
5 28 30 33
Для солесодержания 700 мг/л
3 3,6 2,8 2,5 2,3 2,2
Подкисление 4 5,3 4,6 3,8 3,5 3,4
5 9 6,4 5,1 4,5 4,3
3 6 10 26 34 36
Рекарбонизация 4 12 28 36 40 43
5 34 36 40
Для солесодержания 400 мг/л
3 4,4 3,6 3,2 3 2,9
Подкисление 4 6,6 5,7 4,8 4,3 4,1
5 11 7,9 6,2 5,7 5,2
3 7 12 33 42 47
Рекарбонизация 4 14 36 44 49 54
5 40 43 49
Потребность в углекислоте А, кг/ч, определяется по формуле
А = (СО2)РеК Qo6/1000, (2.56)
где <2об — расход оборотной воды, м3/ч.
При введении в воду углекислоты количество ее, которое может
в данных условиях перейти в раствор, ограничено и может быть
определено по формуле
i = Мп 0/10 ООО, (2.57)
где М — растворимость углекислоты, мг/л, в воде при данной температуре
и парциальном давлении 1 кгс/см2 (100 кПа) (табл. 2.5); п — содержание СО2
в дымовых газах, % по объему (при сжигании угля 5—8%, нефти и мазута —
8—12%); р — степень использования углекислоты, % (для водоструйных
эжекторов 40—50% ; для барботажных устройств при погружении распреде-
лительных трубок в воду на глубину 2 м — 20—30%).
Концентрация углекислоты в воде i, мг/л, определяемая по фор-
муле (2.57), является наибольшей, на получение которой можно рас-
считывать при данном типе устройства для растворения углекисло-
ты в охлаждающей воде. Поэтому проведение рекарбонизации целе-
— 41
Таблица 2.5
Газ Растворимость газов М» мг/л, при температуре воды, °C
0 10 20 30 40 60 80 100
СОо 3371 2360 1723 1324 1055 719 552 . .
О2 69,8 54,3 44,3 37,2 32,9 27,8 25,1 24,2
H2s 7100 5160 3925 3090 2520 1810 1394 1230
сообразно лишь в том случае, если требуемая доза углекислоты, под-
считанная по формуле (2.55), меньше возможного насыщения ею
воды в данных условиях [т. е. если (СО2)Рек < i].
Часть общего расхода циркуляционной воды 5, %, которая
должна быть пропущена через устройство для насыщения углекис-
лотой, равна:
S = _(с°2)Рек 100 12.58)
i
Расход дымовых газов (без использования SO2), нм3/ч, может
быть определен по формуле
у = 5 '<СО2)рекЗоб . (2.59)
В установках для рекарбонизации циркуляционной воды могут
быть применены различные устройства для введения углекислоты
в воду: скрубберы, барботажные устройства, эжекторы.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЗ КИСЛОТЫ И УГЛЕКИСЛОТЫ
ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ
ПРИ НАЛИЧИИ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
При наличии в воде поверхностно-активных веществ необходимые
концентрации углекислоты, как показывают экспериментальные
исследования, значительно меньше расчетных по теоретической
формуле, причем в отдельных случаях, когда эти вещества присутст-
вуют в достаточных концентрациях, безнакипный режим работы
системы достигается даже при практически полном отсутствии в воде
углекислоты.
По указанным выше причинам дозы кислоты или углекислоты,
необходимые для стабилизационной обработки оборотной воды, со-
держащей поверхностно-активные вещества, наиболее надежно мо-
гут быть определены экспериментально — путем технологических
испытаний воды, намеченной к использованию [22].
Следует отметить, что к технологическим испытаниям воды при-
бегают во многих сложных случаях водоподготовки, при которых
происходящие процессы ввиду их сложности и зависимости от мно-
гих факторов не удается описать расчетными формулами.
Технологические испытания производятся непосредственно в на-
туре на промышленных сооружениях или на моделях этих сооруже-
— 42 —
7
Рис. 2.10. Экспериментальная модель системы оборотного водоснабжения.
ний, работающих на исследуемой воде. Испытания предпочтитель-
нее проводить на моделях систем оборотного водоснабжения, по-
скольку на промышленных сооружениях не всегда удается выдер-
жать в период эксперимента неизменными заданные параметры теп-
лового и водного режима системы.
Для проведения технологических испытаний целесообразно ис-
пользовать модели систем оборотного водоснабжения.
Модель состоит из двух контуров — основного, в который вклю-
чена градирня 1, насос 15, трубки теплообменного аппарата 11, со-
единенные последовательно, и нагревательного, в который вхо-
дит водонагреватель 13, насос 14 и теплообменник 11 (межтрубное
пространство) с соединительными коммуникациями (рис. 2.10).
Градирня имеет корпус, изготовленный из винипласта. Внутри кор-
пуса расположено пластмассовое водораспределительное устройст-
во 6, а также водоуловитель 7 и ороситель 5, выполненные из дере-
ва. Градирня снабжена переливом 2 для поддержания постоянного
уровня воды. Воздух к градирне подается вентилятором 3. На воз-
духоводе установлен регулирующий шибер 4. Теплообменник со-
стоит из корпуса диаметром 150 мм, трубок (диаметром 20 мм, дли-
ной 1000 мм), основной и прижимной крышек и зажимаемых между
ними втулок сальника.
Две трубки в теплообменнике снабжены кассетными вставками,
содержащими по шесть герметично соединяемых цилиндрических
стальных гильз, используемых в качестве индикаторных образцов
для коррозионных исследований. Внутренняя часть корпуса тепло-
обменника и наружные поверхности трубок имеют антикоррозион-
ное покрытие.
— 43 —
Водонагреватель представляет собой стальной бак, покрытый
внутри антикоррозионным покрытием, с вертикальной перегород-
кой, разделяющей его на две части. Вода нагревается шестью элек-
тронагревателями мощностью по 2 кВт. Пять из них постоянно вклю-
чены во время работы установки, а шестой периодически включается
с помощью системы автоматизации, благодаря чему поддерживает-
ся заданная температура теплоносителя в нагревательном контуре.
В качестве теплоносителя используется ингибированный дистиллят.
Дозировка реагентов производится дозаторами 10 по принципу
Мариотта. Доза реагентов (кислоты, фосфатов, растворов ингиби-
торов) регулируется подбором величины отверстия калиброванной
пипетки. Тонкая регулировка осуществляется вертикальным пере-
мелением кзлибповзнной пипетки в стеклянном приемном цилинппе
16? — -г ...........
Добавочная вода подается с помощью стеклянного дозатора 8,
снабженного патрубками для подвода и отвода воды и центральной
переливной трубкой для поддержания постоянного уровня в доза-
торе и отвода избытка воды в канализацию. Расход также регули-
руется подбором калиброванных пипеток и вертикальным перемеще-
нием их в приемном цилиндре.
Модель системы оборотного водоснабжения снабжена ротамет-
ром 9 для измерения расходов оборотной воды в основном контуре,
термометрами 12 для измерения температур оборотной воды и тепло-
носителя до и после теплообменников и дифференциальными мано-
метрами для замеров потерь напора на двух трубках теплообменни-
ка в процессе эксперимента. Предусмотрена также автоблокировка
электронагревателей — автоматическое выключение их на случай
выхода из строя какого-либо из циркуляционных насосов данной
модели.
Расход оборотной воды, циркулирующей в основном контуре,
1000 л/ч, расход теплоносителя 1500 л/ч, расход добавочной воды 20—
35 л/ч. Температура оборотной воды до градирни 35—40° С, после
градирни 25—30° С.
Сущность технологических испытаний заключается в экспери-
ментальном определении минимальных доз реагентов, достаточных
для предотвращения выделения из раствора карбоната кальция при
данном химическом составе исходной воды и определенных парамет-
рах теплового и гидравлического режима системы, но не вызываю-
щих проявления агрессивных свойств воды.
При технологических испытаниях контролируются следующие
показатели химического состава оборотной и добавочной воды:
щелочность, жесткость, содержание С1~, pH. Кроме того, произво-
дятся карбонатные испытания оборотной воды.
Технологические испытания на действующих промышленных со-
оружениях оборотного водоснабжения производятся следующим
образом. Прежде всего по результатам анализов оборотной и доба-
вочной воды определяют коэффициенты соотношения щелочности и
концентраций С1~ в этих водах (/гщ = Щоб/Ща и ka = С10б/С1д).
— 44 —
В том случае, если коэффициенты kC\* и &щ равны между собой,
стабилизационная обработка воды не производится. Неравенство
этих коэффициентов (кщ < feCi) свидетельствует о выделении из обо-
ротной воды карбоната кальция и, следовательно, необходимости
стабилизационной обработки воды.
Технологические испытания начинают с небольших доз реаген-
тов, составляющих ~ 10% расчетных по формулам (2.37) и (2.55),
во избежание передозировки реагентов, приводящей к интенсифика-
ции коррозии в системе. После того как щелочность оборотной воды
стабилизируется, что наблюдается обычно через 5—20 ч, снова оп-
ределяют коэффициенты и feci- При этом коэффициент уве-
личивается по сравнению с прежним его значением. Если он все же
будет меньше, чем feCj, дозу реагента следует несколько увеличить
(в зависимости от соотношения этих коэффициентов) и снова, дождав-
шись стабилизации щелочности, определить значения указанных
коэффициентов. Дозу реагента последовательно увеличивают до
тех пор, пока не будет достигнуто равенство коэффициентов fem и
feci. При этом необходимо следить за тем, чтобы оборотная вода была
стабильной и при карбонатных испытаниях не проявляла агрессив-
ных свойств. В процессе технологических испытаний тепловой и
водный режим системы оборотного водоснабжения должен оставаться
неизменным и соответствовать намечаемым для данной системы ус-
ловиям постоянной эксплуатации.
Аналогично производятся технологические испытания и на моде-
лях систем оборотного водоснабжения. Моделирование системы сле-
дует производить по критериям Рейнольдса и Стэнтона. Параметры
водного и теплового режима системы принимаются на модели такими
же, какими они будут в натуре. Опыты производятся на воде, пред-
полагаемой к использованию в промышленных сооружениях. Техно-
логические испытания следует производить 3—4 раза в течение года
и нехарактерные по качеству добавочной воды периоды.
Технологическими испытаниями наиболее точно определяются
дозы реагентов, необходимые для стабилизационной обработки воды
систем оборотного водоснабжения. При отсутствии данных техноло-
гических испытаний воды, при предварительных проектных прора-
ботках сооружений для стабилизационной обработки оборотной во-
ды кислотой или углекислотой рекомендуется руководствоваться
расчетными формулами (2.37) и (2.55), учитывая при этом, что дозы
реагентов могут оказаться завышенными при наличии в воде поверх-
ностно-активных веществ. Дозы реагентов, определенные расчетным
путем, уточняются при эксплуатации систем оборотного водоснаб-
жения.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ДОЗИРОВАНИЯ КИСЛОТЫ И УГЛЕКИСЛОТЫ
Современные системы автоматизации процессов обработки воды
кислотой и углекислотой основаны на принципе дозирования реа-
гентов в количестве, необходимом для поддержания заданной вели-
* Коэффициент /гс] равен коэффициенту концентрирования солей kK.c..
— 45 —
чины pH, которая должна равняться pH равновесного насыщения
воды карбонатом кальция (pHs). Такие системы могут удовлетвори-
тельно работать в том случае, если pHs не изменяется во времени,
что наблюдается лишь при постоянстве параметров теплового и вод-
ного режима оборотного цикла, а также химического состава доба-
вочной воды.
Практически же в большинстве систем оборотного водоснабже-
ния указанные параметры не остаются постоянными, они изменяют-
ся в значительном диапазоне, что приводит к изменению щелоч-
ности и содержания кальция в оборотной воде. Соответствующим
образом изменяется и концентрация равновесной углекислоты,
а следовательно, и величина pHs, на которую настраивается система
автоматики.
Таким образом, при каждом изменении указанных параметров
возникает необходимость в настройке системы автоматики. Если
эти изменения происходят часто и система значительную часть вре-
мени работает в условиях неустановившегося режима, такого рода
регулирование становится весьма затруднительным. Указанные не-
достатки могут быть устранены усовершенствованием системы ав-
томатизации, сущность которого заключается в следующем [22].
В качестве исходного параметра для регулирования дозы реаген-
тов принимаем не pH оборотной воды, а показатель стабильности,
т. е. разность между pH и показателем концентрации водородных
ионов воды, пропущенной через фильтр, заполненный зернистым
карбонатом кальция (мрамором, известняком). Если pH > рН3, до-
за кислоты или углекислоты должна автоматически увеличиваться,
а при pH < pHs — уменьшаться. Изменение дозы в ту или дру-
гую сторону производится до тех пор, пока не будет достигнуто ра-
венство обеих величин pH, свидетельствующее о стабильности обо-
ротной воды. Замер обеих величин pH и передача соответствующих
импульсов к дозирующим устройствам производятся непрерывно,
вследствие чего система быстро реагирует на все отклонения вели-
чины pH оборотной воды от равновесного значения.
ВЛИЯНИЕ СЕРНИСТОГО И УГЛЕКИСЛОГО ГАЗОВ
И МИКРООРГАНИЗМОВ НА pH ОБОРОТНОЙ ВОДЫ
Необходимо остановиться на некоторых особенностях стаби-
лизационной обработки воды, возникающих в тех случаях, ког-
да в атмосферном воздухе содержится значительное количество
сернистого и углекислого газа, что характерно для крупных горо-
дов с интенсивным автомобильным движением и для промышленных
районов.
Сернистый газ S02, поступающий в градирню с атмосферным воз-
духом, поглощается оборотной водой и под действием растворен-
ного в ней кислорода практически полностью окисляется в SO,. По-
следний, соединяясь с водой, образует серную кислоту, которая
вступает в реакцию с карбонатными и би карбонатными ионами, со-
— 46 —
держащимися в оборотной воде, подобно тому как это наблюдается
при вводе в систему кислоты с целью стабилизационной обработки.
Сернистый газ, поглощенный оборотной водой может привести к зна-
чительному снижению ее щелочности и величины pH. Так, напри-
мер, при содержании SO2 в атмосферном воздухе 0,25 мг, м3 щелоч-
ность оборотной воды в течение^шести дней снизилась с 1 мг-экв/л
до 0. При этом во избежание кислой реакции оборотную воду вы-
нуждены были обрабатывать известковым молоком, и только таким
образом удалось в течение 11 дней восстановить щелочность оборот-
ной воды до первоначальной величины.
Большой интерес представляют статистические данные по си-
стемам оборотного водоснабжения, расположенным в Нью-Йорке
[39,40]. Собраны данные по 1544 открытым системам оборотного
водоснабжения. Вследствие наличия в атмосферном воздухе сернис-
того газа в 1193 случаях наблюдалось снижение pH оборотной воды
ниже 7, в 150 случаях — ниже 4,4, в 50 случаях — ниже 4, а в неко-
торых случаях — ниже 2,5. Среднее содержание сернистого газа
в воздухе летом составляло 0,13 мг/м3, максимальные концентрации
0,65—0,78 мг/м3. В зимние месяцы содержание SO2 в атмосфере Нью-
Йорка составляло 0,32 мг/м3, а максимальная концентрация дости-
гала 1,04 мг/м3. С уменьшением pH оборотной воды значительно
возрастала ее коррозионная активность. Например, при pH = 6,7
в течение 66 дней потеря в весе образцов из стали 3, экспонирован-
ных в оборотной воде, составила 13,2 г/(м2-сут); при pH = 3,8 и при
том же времени экспозиции потеря в весе достигала 28,9 г, (м2-сут).
Необходимо также иметь в виду, что pH оборотной воды в значи-
тельной мере зависит от микробиологических процессов, происхо-
дящих в системах оборотного водоснабжения. Некоторые виды ав-
тотрофных микроорганизмов способны окислять аммиак в нитриты
и нитраты. Другие виды микроорганизмов окисляют сернистые
соединения до сульфатов. При небольшой буферности оборотной
воды эти процессы могут привести к значительному снижению pH.
В табл. 2.6 приведены химические реакции, происходящие в про-
цессе жизнедеятельности микроорганизмов в системах оборотного
водоснабжения и оказывающие влияние на pH оборотной воды.
Таблица 2.6
Процесс
Реакция
Результат
Фотосинтез
Дыхание
Метанофермеитацня
Нитрификация
Денитрификация
Окисление сульфидов
6СО, / 6Н2О-»С6Н12О6 + 6О2
С„Н12Ов + 6О.2^6СО2 + 6Н2О
С6Н12О6 -I- ЗСО2-»ЗСН4 + 6СО2
NHJ -|-2O2-»NOg Ч-Н2О+2Н+
5С6Н12О6-4- 24NOJ +24Н+-»
-»30СО2+ 12N2 + 42H2O
HS-4-2O2^SO2~ + H+
Повышение pH
Снижение pH
То же
»
Повышение pH
Снижение pH
— 47 —
СТАБИЛИЗАЦИОННАЯ ОБРАБОТКА ВОДЫ ПОЛИФОСФАТАМИ
Метод стабилизационной обработки воды полифосфатами (фос-
фатирование) существенно отличается от других применяемых с той
же целью методов — подкисления и рекарбонизации.
Предотвращение карбонатных отложений при фосфатировании
достигается при ничтожно малых концентрациях углекислоты. Важ-
ной особенностью метода фосфатирования, выгодно отличающей
его от подкисления и рекарбонизации, является то, что полифосфа-
ты не обладают агрессивными свойствами и к точности их дозировки
можно не предъявлять высоких требований. Более того, полифосфа-
ты способствуют замедлению коррозии.
В настоящее время для стабилизационной обработки воды в сис-
темах оборотного водоснабжения применяются в основном гексаме-
тафосфат натрия (NaPO3)6 и триполифосфат натрия Na5P3O10,
содержание Р2О5 в которых достигает 50—52%.
По современным представлениям физико-химическая сущность
метода обработки воды полифосфатами состоит в воздействии их на
процесс кристаллизации карбоната кальция. В присутствии неболь-
ших концентраций полифосфатов на поверхности микрокристаллов
карбоната кальция образуется адсорбционно-химическое соедине-
ние, предотвращающее выделение из раствора малорастворимого
карбоната кальция. Это соединение представляет собой комплекс-
ную соль, в которой кальций входит в анион согласно уравнению
[Na4(PO3)6]2- + 2Са2+ = [Са2(РО3)6]2- + 4Na+. (2.60)
Комплексное соединение Na2 [Са2(РО3)в], образующееся на по-
верхности микрокристаллов, препятствует их агломерации и даль-
нейшему росту. Стабилизирующее действие полифосфатов сво-
дится, таким образом, к нарушению процесса кристаллизации
карбоната кальция и устойчивому пересыщению раствора этим
соединением.
Для более полного раскрытия механизма стабилизирующего дей-
ствия поверхностно-активных веществ необходимо знать, сколько
бикарбоната кальция переходит в СаСО3 различных степеней дис-
персности, т. е. какая часть общей щелочности воды обусловлена
карбонатом кальция и какая ионами НСОз и СО3_. Этот вопрос
являлся предметом наших экспериментальных исследований на ла-
бораторных и полупроизводственных установках систем оборотного
водоснабжения. Для решения его необходимо было определить
раздельно концентрации ионов НСО3 , СО3~ и карбоната кальция
различных степеней дисперсности. Для этой цели нами был пред-
ложен метод, основанный на том, что количество углекислоты,
выделяющейся при титровании проб оборотной воды сильной кисло-
той, по метилоранжу будет различным в зависимости от того, обус-
ловлена ли эта щелочность только ионами НСО3 или также иона-
ми СО3~ и карбонатом кальция в молекулярной, коллоидной или
— 48 —
микрокристаллической форме. При реакции сильной кислоты
с би карбонатными ионами на 1 мг-экв ее выделяется 44 мг СО2
(НСОз + Н+-> СО2 + Н2О), тогда как при реакции такого же
количества кислоты с карбонатными ионами или карбонатом каль-
ция различных степеней дисперсности выделяется только 22 мг
углекислоты (COj- -ф 2Н+->СО3 Н2О). Таким образом, исходя
из концентрации углекислоты в оборотной воде, а также из концен-
трации этого соединения в той же воде после добавления к ней
сильной кислоты в количестве, эквивалентном ее щелочности,
определяли, какая часть щелочности обусловлена ионами НСОз
и какая остается на долю ионов СО!- и карбоната кальция различ-
ных степеней дисперсности.
Опыты проводили на речных и подземных водах различного хи-
мического состава (щелочность 2,8—5,9 мг-экв/л, жесткость 5,1—
20,4 мг-экв/л, Са2+ 3,9—11 мг-экв/л, С1- 16—233 мг/л, SOI-76—
1123 мг/л, pH = 7,2-4-8,4, окисляемость перманганатная 1,3—
6,3 мг/л) в диапазоне температур оборотной воды от 30 до 80° С.
Этими опытами показано, что щелочность оборотной воды при об-
работке ее полифосфатами обусловлена главным образом бикарбо-
натными ионами, концентрация же карбоната кальция различных
степеней дисперсности очень невелика и не превышает 0,1—0,2
мг-экв/л. Кроме того, при обработке воды полифосфатами создаются
условия, при которых может существовать сильное пересыщение
раствора ионами СО1-, произведение концентрации ионов Са2+
и COj- в десятки раз может превышать произведение растворимости
СаСО3, вследствие чего для углекислотного равновесия оказыва-
ются достаточными дозы кислоты, гораздо меньшие доз, рассчи-
танных по теоретической формуле для данной щелочности воды.
Следовательно, основной эффект стабилизирующего воздействия
поверхностно-активных веществ заключается в сильном замедлении
самого процесса распада бикарбонатных ионов вследствие пересы-
щения раствора ионами СОз-, обусловленного замедлением одной
из фаз процесса кристаллизации — перехода карбоната кальция
из коллоидного раствора в кристаллы.
В системах оборотного водоснабжения эффект стабилизацион-
ной обработки воды полифосфатами проявляется в том, что равно-
весная щелочность оборотной воды значительно повышается по
сравнению с ее величиной, устанавливающейся в системе при от-
сутствии обработки воды при прочих равных условиях.
Щелочность оборотной воды, устанавливающаяся в том или ином
случае при обработке воды фосфатами, представляет большой
интерес, поскольку этим параметром определяется техническая
возможность предотвращения карбонатных отложений с помощью
данного метода и экономическая целесообразность его приме-
нения.
Наши экспериментальные исследования по фосфатированию были
посвящены выявлению факторов, влияющих на величину макси-
— 49 —
мальной равновесной щелочности оборотной воды1 при различных
условиях работы систем оборотного водоснабжения и показателях
химического состава добавочной воды. Исследования выполнены
на полупроизводственных установках, а также непосредственно
на промышленных сооружениях оборотного водоснабжения с ис-
пользованием речных и подземных вод.
Одним из основных факторов, оказывающих значительное влия-
ние на величину равновесной щелочности оборотной воды, являет-
ся температура ее нагрева. В результате опытов, выполненных
в диапазоне от 30 до 80° С, установлено, что с увеличением темпера-
туры оборотной воды равновесная щелочность значительно умень-
шается. Кроме того, выявлено, что при температуре воды в системе,
не превышающей 60° С, щелочность оборотной воды получается
больше, чем добавочной (Що6 > Щц), а при более высоких темпера-
турах наблюдается обратное соотношение этих величин (Щоб < Щд).
При Що6 > Щд увеличение сброса воды из системы и соответст-
венно добавления в нее приводит к уменьшению интенсивности
карбонатных отложений, пока, наконец, при некотором оптималь-
ном расходе добавочной воды не достигается равновесный режим,
характеризующийся отсутствием карбонатных отложений в системе.
Увеличение сброса сверх оптимальной величины нецелесообразно,
поскольку оно не приводит к улучшению условий работы системы,
а вызывает лишь бесполезный перерасход воды и реагента.
На рис. 2.11 показана зависимость оптимальной величины сброса
(включая унос на градирнях) от температуры оборотной воды при
использовании добавочной воды щелочностью 5,4 мг-экв/л и жест-
костью 13 мг-экв/л.
Значительная часть наших экспериментальных работ была по-
священа исследованию влияния показателей химического состава
добавочной воды на величину равновесной щелочности оборотной
воды. Была проведена серия опытов с использованием добавоч-
ных вод различной щелочности. Опыты проводили при темпера-
туре оборотной воды (до градирни) 40° С.
В каждом опыте данной серии путем варьирования величины
продувки определяли максимальную щелочность оборотной воды
при равновесном режиме, а также минимальную величину продув-
ки, при которой достигается такой режим. Анализ результатов
(рис. 2.12) показывает, что равновесная щелочность оборотной воды
тем больше, чем выше щелочность добавочной воды. Этими же опы-
тами установлено, что с увеличением щелочности добавочной воды
минимальная величина продувки, необходимая для достижения
равновесного режима, возрастает, а коэффициент концентрирова-
ния, соответствующий этой продувке, уменьшается.
1 Максимальной равновесной щелочностью оборотной воды называется
ее наибольшая величина, при которой в системе достигается предотвращение
карбонатных отложений, т. е. количество бикарбонатов и карбонатов, вводи-
мых в систему с добавочной водой, равно количеству тех же соединений, вы-
водимых с уносом и сбросом (продувкой).
— 50 —
оборотной воды
Рис. 2.12. Зависимость коэффициента кои- ->
центрирования солей и щелочности оборот-
ной воды при равновесном режиме от ще-
лочности добавочной воды при Л = 40’ С
Эти выводы дают возможность значительно скорректировать су-
ществовавшие ранее методы расчета оптимальной величины продув-
ки, которыми влияние щелочности добавочной воды на равновес-
ную щелочность оборотной воды не учитывалось.
Экспериментально исследовано также влияние жесткости доба-
вочной воды на щелочность оборотной воды. Необходимость этих
исследований объясняется различными мнениями по вопросу о
влиянии кальциевой и магниевой жесткости на щелочность оборот-
ной воды и интенсивность процесса образования карбонатных от-
ложений при фосфатировании. Некоторые авторы считают, что при
наличии в воде магния наблюдается интенсификация процесса об-
разования карбонатных отложений, а при обработке воды фосфа-
тами этот эффект полностью исчезает. Другие исследователи за-
нимали в этом отношении совершенно иную позицию. По мнению
Г. Е. Крушеля, величина магниевой жесткости и при фосфатирова-
нии оказывает значительное влияние на интенсивность процесса
образования карбонатных отложений, а величина равновесной ще-
лочности оборотной воды резко уменьшается с увеличением жест-
кости воды. Кроме того, по Г. Е. Крушелю, ионы магния вызывают
весьма значительное ухудшение стабилизирующих свойств гекса-
метафосфата натрия и при концентрации этих ионов более 5 мг-экв/л
стабилизировать воду гексаметафосфатом уже не удается.
Для выяснения данного вопроса нами проведена серия опытов
на оборотной воде с температурой 40 и 60° С, различной жесткости,
в том числе и на минерализованной воде с жесткостью, достигаю-
щей 20 мг-экв/л. Кроме того, опыты проводились также на при-
родных водах, жесткость которых изменяли введением различных
доз хлористого кальция и сульфата магния.
В результате исследований установлено, что равновесная щелоч-
ность уменьшается с увеличением как кальциевой, так и магние-
вой жесткости добавочной воды. Это уменьшение, однако, не на-
столько велико, чтобы нельзя было достигнуть равновесного ре-
— 51 —
жима. При соответствующей продувке системы равновесный режим
достигается даже при высокой общей жесткости оборотной воды,
достигающей 30 мг-экв/л, и магниевой жесткости, составляющей
13,8 мг-экв/л.
Экспериментальные исследования были проведены также для
определения влияния дозы полифосфата на эффективность стабили-
зационной обработки воды. В процессе этих опытов дозы изменяли
от 1 до 18 мг технического продукта на 1 л добавочной воды. Кроме
того, проведен ряд экспериментов без дозировки полифосфата,
однако в оборотной воде обнаруживались следы этого реагента
вследствие десорбции его из отложений в теплообменных аппаратах
и трубопроводах. Эти опыты показали, что полифосфаты обладают
значительным стабилизирующим действием даже в малых концен-
трациях порядка 1 мг/л. Оптимальная концентрация для исследован-
ных вод составляла 4—5 мг/л (2—2,5 мг/л по Р2О5). Увеличение
дозы сверх оптимальной нецелесообразно, поскольку не приводит
к улучшению стабилизирующего эффекта.
На основе полученных экспериментальных данных предложен
новый метод расчета оптимальной величины продувки системы обо-
ротного водоснабжения при фосфатировании [14]. По этому методу
определяется допустимый коэффициент концентрирования солей
в оборотной воде &доп, при котором с помощью полифосфатов
удается предотвратить отложение карбонатов в системе оборотного
водоснабжения:
£доп = (2 - 0,125Щд) (1,4 - 0,01/х) (1,1 - 0,012Кд), (2.61)
где 6 — температура оборотной воды перед охладителем, ° С; /Л'д — жест-
кость общая добавочной воды, мг-экв/л; Щл — щелочность добавочной воды,
мг-экв/л.
По допустимому коэффициенту концентрирования рассчитывает-
ся оптимальная величина продувки:
ЛопТ = —(2.62)
йдоп— 1
где Pt и Р2 — потери воды из системы оборотного водоснабжения соответст-
венно на испарение и унос, % от расхода оборотной воды.
Данный метод расчета, включенный в СНиП 11-31-74, учитывает
влияние основных факторов, определяющих величину оптимальной
продувки (температуры оборотной воды, щелочности и жесткости
добавочной воды), вследствие чего он дает значительно более точ-
ные результаты по сравнению с методом расчета, применявшимся
ранее. Кроме того, новый метод дает возможность значительно
расширить область применения фосфатирования и применять этот
простой и безопасный в эксплуатации способ также и для обработки
вод, обладающих относительно высокой щелочностью. Ранее в та-
ких случаях от него были вынуждены отказываться из-за больших
величин продувок, полученных по существующим расчетным
формулам.
- 52 -
КОМБИНИРОВАН! 1АЯ ФОСФАТНО-КИСЛОТНАЯ ОБРАБОТКА
Когда одним только фосфатированием не удается предотвратить
карбонатные отложения в системе оборотного водоснабжения,
применяется комбинированная фосфатно-кислотная обработка. Та-
кой метод может быть применен, в частности, при ограниченных
водных ресурсах, когда нельзя обеспечить продувку системы в раз-
мере, необходимом для предотвращения карбонатных отложений
с помощью фосфатов. Комбинированная фосфатно-кислотная обра-
ботка иногда применяется с целью сокращения величины продув-
ки также и в тех случаях, когда предотвращение карбонатных
отложений в системе может быть обеспечено путем обработки во-
ды одними только фосфатами.
При комбинированной фосфатно-кислотной обработке доза кис-
лоты при заданных параметрах водного режима может быть опре-
делена по формуле
Дк = е(Щ1{ - Щд.р) 100/Ск, (2.63)
где Щд.р — расчетная щелочность добавочной воды, при которой предотвра-
щение карбонатных отложений может достигаться фосфатированием, мг-экв/л:
ЩпР=-И6--------------------------------------, (2.64)
Д 0,125(1,4 — 0,01/1)(1,1-0,01Жд)(Р—Л)
где Р — количество добавочной воды, % от расхода оборотной воды; е —
эквивалентный вес кислоты, мг/мг-экв; Ск — содержание кислоты в тех-
ническом продукте, °о.
Метод комбинированной фосфатно-кислотной обработки приме-
няется при 0 < Щл.р < Щя- При > Щя в комбинированной
обработке нет необходимости, достаточно только фосфатирования.
При Щд.р < 0 комбинированная обработка не производится, сле-
дует производить только подкисление [14].
Представленные в данной главе методы расчета режимов стаби-
лизационной обработки оборотной воды кислотой, углекислотой,
фосфатами и комбинированной фосфатно-кислотной обработки раз-
работаны Д. И. Кучеренко совместно с И. Э. Апельциным и с 1974 г.
включены в действующий ныне СНиП 11-31-74.
ВЛИЯНИЕ ФОСФАТОВ НА РАЗРУШЕНИЕ
КАРБОНАТНЫХ ОТЛОЖЕНИИ
И РАЗВИТИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАСТАНИИ
В некоторых литературных источниках отмечается, что обра-
ботка воды фосфатами не только дает возможность предотвратить
карбонатные отложения, но и способствует разрушению карбонат-
ных отложений, образовавшихся ранее.
По вопросу об интенсивности процесса разрушения карбонатных
отложений в системах оборотного водоснабжения в настоящее вре-
мя нет едпного'мнения. Некоторые авторы считают, что при тех
небольших концентрациях фосфатов, которые применяются при ста-
- 53 —
билизационной обработке воды, интенсивность процесса разрушения
карбонатных отложений очень мала и может не приниматься во
внимание. По мнению других авторов процесс разрушения карбо-
натных отложений происходит очень интенсивно и может привести
даже к закупорке трубопроводов и теплообменников разрушившей-
ся накипью.
Наш опыт применения фосфатирования на промышленных систе-
мах оборотного водоснабжения подтверждает правильность точки
зрения тех авторов, которые считают, что интенсивность процесса
разрушения карбонатных отложений при фосфатировании невели-
ка. В частности, на одном из предприятий, система оборотного водо-
снабжения которого до начала стабилизационной обработки воды
фосфатами была подвержена очень интенсивному накипеобразо-
ванию, после внедрения фосфатирования в течение 3 лет не было
замечено сколько-нибудь интенсивного разрушения накипи.
С другой стороны, фосфатирование может вызвать интенсифи-
кацию биообрастаний в системе оборотного водоснабжения, так как
фосфор является необходимым элементом для жизни микроорганиз-
мов и водорослей. Введение фосфатов в оборотную воду способ-
ствует интенсификации развития микроорганизмов лишь в тех
случаях, когда в воде имеются другие биогенные элементы: азот
и углерод. Водоросли же могут усваивать недостающие вещества
из воздуха, поэтому при внедрении фосфатирования необходимо
предусматривать мероприятия по обработке воды для борьбы с био-
логическими обрастаниями.
СТАБИЛИЗАЦИОННАЯ ОБРАБОТКА ВОДЫ НЕКОТОРЫМИ
ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ
Нашими экспериментальными исследованиями [22] показано,
что наряду с триполифосфатом и гексаметафосфатом натрия, при-
меняемым для обработки оборотной воды с целью предотвращения
карбонатных отложений, стабилизирующими свойствами обладают
также и другие поверхностно-активные вещества, используемые
в различных отраслях промышленности, и в частности в текстиль-
ной, а также в коммунальном хозяйстве.
Для исследований были выбраны следующие вещества: вырав-
ниватель А, проксанол-186, синтанол, диспергатор Нф, алкамон
ОС-2, смачиватель НБ, ОП-7, ОП-Ю, ТМС, а также моющие средст-
ва: «Капронит», «Астра», «Кристалл» и «Луч».
Опыты по исследованию стабилизирующего действия указан-
ных веществ производились на экспериментальной полупроизводст-
венной модели системы оборотного водоснабжения при температуре
оборотной воды от 40 до 98° С и при двух значениях концентрации
реагентов: 5 и 0,5 мг/л.
Этими опытами установлено, что некоторые поверхностно-ак-
тивные вещества из числа указанных выше обладают стабилизирую-
щими свойствами и позволяют значительно снизить интенсивность
— 54 —
образования карбонатных отложений в системе оборотного водо-
снабжения. Большим стабилизирующим воздействием обладают,
в частности, «Астра», «Капронит», «Луч» и ОП-Ю, которые при
температуре оборотной воды 40° С и дозе 5 мг,л дают возможность
снизить интенсивность образования карбонатных отложений на
57,7—76,5% по сравнению с полученной в контрольном опыте,
выполненном без обработки воды при прочих равных условиях.
Значительное снижение интенсивности накипеобразования (на 53—
63%) достигается с применением указанных поверхностно-актив-
ных веществ и при температуре оборотной воды 60 С. С дальнейшим
повышением температуры эффективность этих веществ хотя и сни-
жается, но прослеживается даже при очень высокой температуре
(90°С и более). Стабилизирующее действие поверхностно-активных
веществ наблюдается и при очень малой их концентрации — 0,5 мг/л.
Таким образом, проведенные исследования дают основание счи-
тать целесообразным использование в качестве добавочных сточных
вод, содержащих указанные вещества, если нет противопоказаний
для применения этих вод по другим показателям химического
состава.
Перечень поверхностно-активных веществ, которые могли бы
в чистом виде или в составе отработанных растворов или сточных
вод различных технологических процессов использоваться с целью
предотвращения карбонатных отложений в системах оборотного
водоснабжения, несомненно, может быть значительно расширен.
Это станет возможным в результате экспериментального поиска,
позволит значительно повысить эффективность системы оборот-
ного водоснабжения и более рационально использовать водные
ресурсы.
Кроме фосфатов, кислоты и углекислоты для предотвращения
карбонатных отложений в системах оборотного водоснабжения
зарубежными фирмами применяется и ряд других реагентов, таких
как бета-глюкозид, тетрафосфоглюкозат, органические коллоидные
вещества таннин и лигнин, диспергаторы, органические фосфаты,
а также различные комплексообразующие средства.
В отечественной промышленности эти реагенты не нашли рас-
пространения.
ДОЗИРОВАНИЕ РЕАГЕНТОВ
ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ
Для дозирования реагентов, применяемых для стабилизационной
обработки воды в системах оборотного водоснабжения (кислоты,
фосфатов, углекислоты), в настоящее время применяются уста-
новки и приспособления нескольких разновидностей. Не останавли-
ваясь на описании этих установок, достаточно широко представлен-
ных в технической литературе, считаем целесообразным познако-
мить читателей с некоторыми установками и устройствами для
дозирования реагентов, разработанными Д. И. Кучеренко.
— 55 —
Рис. 2.13. Установка безнапорной дозировки реагентов
Установка для безнапорного дозирования реагентов. Установ-
ка (рис. 2.13) состоит из герметичных мерников 5 и 6, оборудован-
ных водомерными стеклами 1 и 10, запорными вентилями 11 и 12
и трубками 2 и 9, один конец которых выведен в атмосферу, а другой
снабжен косым срезом и опущен к дну мерника. Крышки мерников
оборудованы воздушниками с вентилями 3 и 7 для сообщения их
с атмосферой и патрубками с вентилями 4 и 8 для закачивания кис-
лоты. При таком оборудовании мерники могут работать по прин-
ципу Мариотта, что позволяет получать постоянный расход кисло-
ты из мерника независимо от уровня в нем. Установки дополнены
дифманометром 18 с сопротивлением 16 для визуального контроля
за дозировкой реагента, эжектором 23 со сменной форсункой 22,
работающим на оборотной воде, фильтром 13 для очистки реагента,
клапаном автоматического дозирования реагента 24 и запорно-
регулирующей арматурой. Дифманометр 18 и калиброванное со-
противление 16 изготовляются из стекла и заключаются в защитный
кожух из оргстекла. Соединение дифманометра с калиброванным со-
противлением, с эжектором и с трубопроводом, подающим реагент
в_приемный колодец, выполняется кислотоупорным шлангом. Эжек-
тор изготовляется из нержавеющей стали, трубопровод от эжектора
до приемного колодца — из коррозионно-устойчивых материалов
(винипласта, полиэтилена).
; Система дозировки реагента работает следующим образом. Че-
рез патрубок 4 при открытом воздушнике 3 и закрытом вентиле 11
в мерник закачивают реагент. По окончании закачивания закрывают
вентили 3 и 4 и открывают вентиль 11. Реагент начинает поступать
в систему, уровень в мернике снижается, а над поверхностью жид-
кости создается вакуум. Когда глубина вакуума достигнет вели-
чины, равной произведению столба жидкости в мернике и ее плот-
ности, в этот сосуд через трубку начинает поступать атмосферный
— 56 —
воздух. По мере расходования реагента и снижения уровня его
в мернике глубина вакуума над поверхностью постепенно снижается,
оставаясь равной произведению высоты столба жидкости и ее плот-
ности. Давление в горизонтальном сечении мерника, проходящем
через конец трубки 2, остается постоянным в течение всего периода
времени с начала поступления в мерник атмосферного воздуха и до
снижения уровня реагента в мернике до указанного сечения. Со-
ответственно постоянным в течение того же периода времени остает-
ся и расход реагента из мерника, независимо от уровня реагента
в нем. Из мерника реагент поступает в фильтр 13, где очищается от
механических примесей. Дальнейшее поступление реагента в систе-
му определяется режимом регулирования его подачи.
При ручном регулировании реагент при открытых вентилях 14,
15 и 19 и закрытых вентилях 17, 20 и 21 проходит через калиброван-
ное стеклянное сопротивление 16 и поступает в эжектор 23, исполь-
зующий в качестве рабочей жидкости оборотную воду, а затем
подается в приемный колодец. Расход реагента контролируется по
перепаду уровней дифманометра 18 при данном калиброванном со-
противлении 16. Применение эжектора 23 дает возможность поддер-
живать больший перепад на дифманометре и, следовательно, обес-
печить более точную дозировку реагента. Кроме того, благодаря
применению эжектора, вся система дозировки реагента работает
под вакуумом, что обеспечивает безопасность ее в эксплуатации.
При автоматическом регулировании открывают вентили 14 и 20
(при закрытых вентилях 15, 19 и 21) и пропускают реагент через
клапан 24, включенный в систему автоматического регулирования.
Описанная установка применялась для дозирования кислоты и
растворов фосфатов в системах оборотного водоснабжения. Эти уста-
новки могут быть использованы для дозирования различных реа-
гентов, применяемых в практике водоподготовки.
Устройство для закачивания растворов в напорные трубопроводы.
В тех случаях, когда реагенты, применяемые для обработки воды,
нужно подавать в напорные трубопроводы, пользуются обычно
насосами-дозаторами. Автором данной главы для этой цели предло-
жено простое и надежное устройство, не содержащее никаких ме-
ханизмов и движущихся частей, не требующее привода и источников
энергии и позволяющее одновременно закачивать несколько реа-
гентов в напорный трубопровод под любым давлением.
Предлагаемое устройство показано схематически на рис. 2.14.
Напорный трубопровод А является источником давления и одно-
временно объектом, в который закачивается жидкость. Промежуточ-
ная емкость В представляет собой герметично закрытый сосуд, пред-
назначенный для сжатия находящегося в нем в начале рабочего
цикла атмосферного воздуха или другого газа с помощью жидкости,
подаваемой из напорного трубопровода А. В расходных емкостях
Сг, С», С3, представляющих собой герметично закрытые сосуды,
содержатся различные жидкости, подлежащие закачиванию в на-
порный трубопровод А. Число расходных емкостей соответствует
- 57 —
числу разновидностей жид-
костей, которые требуется
закачивать в напорный
трубопровод или в сосуд,
и может быть любым (на
схеме их показано три).
Нижние днища расходных
емкостей должны быть рас-
положены выше плоскости
верхнего дна промежуточ-
ной емкости на величину
суммарных потерь напора
т-ifiTi гт «ч ттттл» а ГЧ П Г» V/Л ТТЛ OOTZQ —
iipri Даппмм опии
чиваемой жидкости в ком-
муникациях, соединяющих
напорный трубопровод А
с промежуточной емкостью
В, последнюю с соответст-
вующей расходной ем-
костью (Сх, С2, С3), а ее в
свою очередь — с напор-
ным трубопроводом А.
Система, состоящая из промежуточной емкости В и расходных
емкостей Сг, С2 и С3, может быть расположена как выше, так
и ниже напорного трубопровода А.
Закачивание жидкостей из расходных емкостей Сх, С2, С3
в напорный трубопровод А производится следующим образом. В на-
чале рабочего цикла в промежуточной емкости В находится атмос-
ферный воздух (или другой газ), а расходные емкости Сх, С2, С3
заполнены реагентами, подлежащими закачиванию в напорный тру-
бопровод А. При открывании вентиля 15 вода из напорного трубо-
провода А поступает в промежуточную емкость В при закрытых вен-
тилях 1—5. В промежуточной емкости происходит сжатие воз-
духа до тех пор, пока давление его не станет равным величине Р,
определяемой по формуле
Р = Ро + yh, (2.65)
где Ро — атмосферное давление; у — плотность жидкости; h — высота
столба жидкости между пьезометрической отметкой напорного трубопровода
А и отметкой установившегося уровня жидкости в промежуточной емкости В.
Далее открывают вентили 3—5 (при закрытых вентилях 6—14),
и из промежуточной емкости В поступает сжатый воздух в расход-
ные емкости Сх, С2, С3, пока давление воздуха над уровнями жид-
кости в расходных емкостях не станет равным давлению его в про-
межуточной емкости. При этом пьезометрический напор каждой из
расходных емкостей будет больше пьезометрического напора трубо-
провода А. После этого открывают вентили 12—14, и жидкости из
расходных емкостей С,, С>, С3 поступают в напорный трубопровод
— 58 —
А. По мере закачивания жидкости расходные емкости С,, С->, С3
постепенно заполняются воздухом из промежуточной емкости В,
а в последнюю поступает жидкость из напорного трубопровода А.
Расходные емкости С15 С2, Ся работают независимо друг от дру-
га. Их рабочие циклы могут начинаться и заканчиваться одновре-
менно или в разное время. При необходимости для опорожнения
расходных емкостей могут быть предусмотрены выпускные трубы
с вентилями. По окончании закачивания жидкостей закрывают
вентили 3 5, 12 -14 и открывают вентили 1, 2: через вентиль 1
выпускают жидкость из промежуточной емкости В, а через вен-
тиль 2 эта емкость заполняется атмосферным воздухом.
Далее открывают вентили 7, 9, 11 и выпускают сжатый воздух
из расходных емкостей Clt С2, С3, после чего открывают вентили 6,
8, 10 и через них заполняют расходные емкости С1( С2, С3 жидко-
стями (реагентами), подлежащими закачиванию в напорный тру-
бопровод А. Затем закрывают вентили 1, 2, 6—11, и рабочий цикл
на этом заканчивается, система готова к началу нового цикла.
Оборотная вода из напорного трубопровода А после использования
в промежуточной емкости В не сбрасывается из системы, она мо-
жет быть отведена в резервуар градирни или в приемный колодец
насосов.
Описанное устройство может быть использовано не только
в системах оборотного водоснабжения, но и во многих других слу-
чаях водоподготовки, например когда требуется закачивать реа-
генты в напорные водоводы. Кроме того, оно может быть с успехом
использовано также для стабилизационной обработки воды в водо-
водах большой протяженности, когда требуется вводить реагенты
не только в начале, но и по длине водовода. В этом случае в полной
мере может проявиться одно из основных достоинств данного
устройства, а именно то, что для него не требуется специального
источника энергии.
УМЯГЧЕНИЕ ВОДЫ
Умягчение воды для предотвращения образования карбонатных
отложений в системах оборотного водоснабжения применяется зна-
чительно реже, чем подкисление, рекарбонизация или фосфатиро-
вание. Это объясняется тем, что умягчение воды, как реагентное,
так и ионообменное, обходится значительно дороже, чем стабили-
зационная обработка воды, по капитальным и по эксплуатационным
затратам. Тем не менее методы умягчения воды иногда в практике
применяются, главным образом в тех случаях, когда умягчение
воды может быть выполнено одновременно с другими процессами
водоподготовки (например, осветлением) и в тех же сооружениях.
Реагентное умягчение. Декарбонизация воды известкованием
может применяться в тех случаях, когда требуется одновременное
снижение жесткости и щелочности воды. Сущность метода заклю-
чается в обработке воды известью.
— 59 —
При добавлении к воде гидрата окиси кальция в виде извест-
кового раствора или известкового молока прежде всего происходит
связЬ1Вание растворенной в воде углекислоты с образованием би-
карбонатных ионов:
СО., + ОН -> НСОу. (2.66)
Дальнейшее добавление извести приводит к переводу би карбо-
натных ионов в карбонатные:
НСОз -г О1Г СО3“ 4- Н.,О. (2.67)
Карбонатные ионы реагируют с присутствующими в растворе
катионами кальция и, если при этом окажется превзойденным про-
изведение растворимости СаСО3, из раствора выделяется осадок
карбоната кальция:
Са2+ + СОГ СаСО31 . (2.68)
Для устранения магниевой жесткости количество добавляемой
извести должно обеспечивать получение малорастворимой гидро-
окиси магния:
Mg2+ + 2ОН- Mg (ОН)2. (2.69)
Для выявления побочных соединений приведенные реакции целе-
сообразно представить в молекулярной форме:
связывание растворенной в воде углекислоты
2СО2 + Са (ОН)2 Са (НСО3)2; (2.70)
устранение кальциевой карбонатной жесткости
Са (НСО3)2 + Са(ОН)3 2СаСО3 | + 2Н3О; (2.71)
устранение магниевой карбонатной жесткости
Mg(HCO3)2 + 2Са (ОН)2 Mg(OH)2 j + 2СаСО31 + 2Н2О. (2.72)
В присутствии бикарбоната натрия при обработке воды изве-
стью происходит образование осадка СаСО3 и одновременное обра-
зование карбоната натрия:
2NaHCO3 + Са (ОН)2 Са2СО31 + Na2CO3 4~ 2Н3О. (2.73)
При обработке воды известью происходит также перевод маг-
ниевых солей некарбонатной жесткости в малорастворимую гидро-
окись магния с образованием эквивалентного количества кальцие-
вых солей сильных кислот:
MgSO4 + Са (OH)2-> Mg(OH)2 J 1 CaSO4; (2.74)
MgCl2 + Са (ОН)2 Mg (ОН)2 I + СаС12. (2.75)
Теоретический предел умягчения воды известкованием без ее
подогрева определяется растворимостью карбоната кальция и гид-
роокиси магния. Растворимость карбоната кальция в монорастворе
при температуре 0° С равна 0,15 мг-экв/л, а при температуре
80° С — 0,03 мг-экв/л; для гидроокиси магния — соответственно
0,4 и 0,2 мг-экв/л.
— 60 —
Следовательно, теоретический предел умягчения природных вод
указанными методами без избытка ионов СОз- и ОН- при темпера-
туре 0 С составляет 0,55, а при температуре 80° С — 0,23 мг-экв/л.
Фактически в природных водах растворимость этих соединений
зависит от ионного состава воды и избытка ионов СО§- и ОН-.
Как СаСО:1, так и Mg (ОН).2 обладают способностью образовы-
вать пересыщенные растворы, которые лишь весьма медленно прибли-
жаются к равновесному состоянию даже при контакте с твердой
фазой образующегося осадка. На практике нецелесообразно длитель-
но выдерживать воду в сооружениях до наступления равновесного
состояния. Поэтому вода, умягченная известкованием (если жест-
кость вся карбонатная) или известково-содовым методом, обычно
имеет остаточную жесткость не менее 0,5—1 мг-экв/л.
Умягчение воды в нашей стране осуществляют преимуществен-
но в осветлителях, специально предназначенных для этого процесса.
В зарубежной практике для проведения процессов умягчения воды
известкованием или известково-содовым методом широко исполь-
зуют вихревые реакторы, известные также под названием спиракто-
ров или вирбосов. Эти аппараты конической формы являются го-
раздо более компактными, чем осветлители. Вода поступает в ниж-
нюю суженную часть вихревого реактора через патрубок, приварен-
ный по касательной к корпусу. Благодаря этому в вихревом реак-
торе получается винтовой восходящий поток жидкости, в котором
во взвешенном состоянии находится контактная масса (дробленый
мрамор или песок), загружаемая в реактор. Постепенно вокруг каж-
дой песчинки, являющейся центром кристаллизации, нарастает
слой карбоната кальция, вследствие чего песчинки укрупняются
и по достижении диаметра 1,5—2 мм выводятся из системы, а в ре-
актор добавляют свежую загрузку.
Наиболее хорошо вихревые реакторы зарекомендовали себя
в том случае, когда в умягченной воде не содержится органических
или поверхностно-активных веществ, препятствующих процессу
кристаллизации карбоната кальция.
Следует отметить, что вода, умягченная известкованием или
известково-содовым методом, может быть пересыщена карбонатом
кальция (особенно при низкой температуре) и характеризуется очень
высоким pH (9,5—10). При использовании такой воды в качестве
добавочной в системы оборотного водоснабжения ее нужно предва-
рительно подкислять до pH = 7 -у- 7,5. В противном случае
в теплообменных аппаратах может наблюдаться образование карбо-
натных отложений вследствие «доумягчения» воды при нагреве.
Кроме того, применение воды с высоким pH в системе оборотного
водоснабжения чревато опасностью интенсивной делигнификации
и разрушения древесины, из которой изготовлены оросители и водо-
уловители градирен.
Ионообменное умягчение. Катионитовый метод умягчения воды
основан на способности некоторых практически нерастворимых
в воде материалов — катионитов — вступать в ионныйжобмен с ра-
— 61 —
створенными в воде солями, сорбируя из воды их катионы, и отда-
вая в раствор эквивалентное количество катионов, которыми катио-
нит периодически насыщается при регенерации.
В практике умягчения воды применяются сильнокислотные
катиониты, содержащие активные сульфогруппы SO3H (катиониты
Ку-1, Ку-2, сульфоуголь, эмберлайт IR-100 и IR-120, вофатит П
и др.), реже применяются слабокислотные катиониты, содержащие
активные карбоксильные группы СООН (катиониты КБ-4, СГ-1,
КБ-2, эмберлайт IRC-50 и Др ).
Если катионит был предварительно переведен в Na-форму пу-
тем регенарации его раствором поваренной соли, то при фильтро-
вании воды через слой такого катионита будут происходить следую-
щие реакции обмена катионов:
2 [Кат] Na + Са (НСОа)2 IКат]2 Са + 2NaHCO3; (2.76)
2 [Кат] Na + Mg (НСО3)2 1Кат]2 Mg + 2NaHCO3; (2.77)
2 [Кат] Na СаС12 [Кат]2 Са + 2NaCl; (2.78)
2 [Кат] Na + CaSO4 [Кат]2 Са + Na2SO4; (2.79)
2 [Кат] Na + MgSO4 Ц [Кат]2 Mg + Na2SO4. (2.80)
При регенерации катиона раствором кислоты активные (способ-
ные к обмену) катионы катионита замещаются Н-ионом кислоты
[Кат]2 Са + H2SO4 2 [Кат] Н + CaSO4. (2.81)
Если через такой катионит фильтр овать умягченную воду, то
все катионы растворенных в воде солей будут поглощаться катио-
нитом, в воду будет переходить эквивалентное количество EI-ионов,
растворенные в воде соли будут превращаться в соответствующие
кислоты:
2 [Кат] Н + Са(НСО3)2 7^ [Кат]2 Са + 2Н2СО3; (2.82)
2 [Кат] Н + СаС12 1Кат]2 Са + 2НС1; (2.83)
2 [Кат] Н + MgSO4 [Кат]2 Mg + H2SO4; (2.84)
[Кат] Н + NaCl [Кат] Na + НС1; (2.85)
2 [Кат] Н + Na2SO4 2 [Кат] Na + H2SO4. (2.86)
Кислотность воды, прошедшей через Н-катионитовый фильтр,
который загружен сильнокислотным катионитом, будет равна сум-
ме концентраций в исходной воде солей сильных кислот.
При параллельном Н—Na-катионировании часть воды пропус-
кают через Н-катионитовый фильтр, а остаток ее — через Na-ка-
тионитовый. Фильтрат первого фильтра содержит свободные кисло-
ты в концентрации, равной содержанию в исходной воде солей силь-
ных кислот; фильтрат второго фильтра — бикарбонат натрия в кон-
центрации, эквивалентной щелочности исходной воды. При сме-
шивании фильтратов Н- и Na-катионитовых фильтров кислотность
первого нейтрализуется щелочностью второго; смесь имеет малую
жесткость и близкую к нулевой щелочность.
— G2 —
При подготовке воды для систем оборотного водоснабжения мо-
жет быть применено Na-, Н- и Н—Na-катионирование. Выбор ме-
тода катионирования определяется в каждом конкретном случае
химическим составом воды, условиями работы системы и технико-
экономическим сравнением вариантов. При применении методов ка-
тионирования не следует снижать жесткость и щелочность воды,
используемой в качестве добавочной, до десятых или сотых долей
мг-экв/л. Это не только нецелесообразно, но и недопустимо, по-
скольку такая вода была бы очень агрессивной и вызывала бы ин-
тенсивную коррозию теплообменной аппаратуры и трубопроводов
систем оборотного водоснабжения. Добавочную воду следует под-
вергать неполному умягчению, для чего через катионитовые фильтры
пропускают только часть добавочной воды, смешивая ее затем
с оставшейся частью.
Оптимальные величины жесткости и щелочности добавочной во-
ды зависят от многих факторов: параметров теплового и водного
режима системы и обусловленного им коэффициента концентриро-
рования солей, а также от других показателей химического состава
добавочной воды. Наиболее надежно оптимальная величина жест-
кости и щелочности добавочной воды может быть определена экспе-
риментально для конкретных условий работы той или иной системы
оборотного водоснабжения. Не останавливаясь здесь на подробном
описании принципов работы, регенерации и конструктивных осо-
бенностей катионитовых фильтров, рассмотрим способ регенерации
и работы ионообменных фильтров, предложенный Д. И. Кучеренко.
Регенерацию ионообменных фильтров проводят в настоящее вре-
мя по прямоточной или противоточной схеме. При прямоточной'ре-
генерации регенерационный раствор пропускают через ионооб-
менный фильтр в том же направлении,что и обрабатываемую воду
или другую жидкость, обычно сверху вниз. При противоточной реге-
нерации обрабатываемую жидкость и регенерационный раствор про-
пускают в различных направлениях; сверху вниз пропускают обра-
батываемую жидкость, но иногда делают наоборот. При движении
регенерационного раствора или обрабатываемой воды снизу вверх
величины скоростей принимают меньшими тех значений, при которых
происходит взвешивание загрузки ионообменного фильтра. Копиро-
вание обрабатываемой воды продолжается до тех пор, пока концен-
трация в фильтрате удаляемых ионов не достигнет предельно до-
пустимого значения. После этого ионообменные фильтры отключают,
производят взрыхление загрузки, а затем регенерацию.
Недостаток принятого способа регенерации и работы фильтра
состоит в неполном использовании ионообменной емкости загрузки
и в неэкономичном расходовании регенеранта.
Регенерацию ионообменных фильтров по предлагаемому способу
осуществляют следующим образом. Вначале пропускают половину
регенерационного раствора через загрузку фильтра со скоростью
3 м/ч, после чего подачу его’на фильтр прекращают, а сброс из филь-
тра продолжают до тех пор, пока уровень регенерационного раство-
— 63 —
ра не снизится до уровня поверхности загрузки фильтра. Затем
прекращают сброс раствора и в фильтр снизу подают взрыхляю-
щую воду. Уровень жидкости в фильтре повышается, и в тот момент,
когда он достигает верхнего дна напорного фильтра (или перелив-
ных граней сборных желобов у открытых фильтров), подачу взрых-
ляющей жидкости прекращают и снова подают регенерационный
раствор, а отработавший раствор отводят. По окончании регенера-
ции отмывают загрузку обычным способом, после чего ионооб-
менный фильтр включают в работу.
Особенность работы ионообменного фильтра по данному способу
заключается в том, что когда концентрация в фильтрате удаляемых
ионов, постепенно повышаясь, приближается к допустимому зна-
QTTTTT/'Ч
rt ГЛГЧТТ ТО Г» ТТ СТ'Т» ТЛГЧО'ГТЛГЧ-
11 1 1 и 1 1^5_/
временное взрыхление загрузки: прекращают подачу на фильтр
подлежащей ионированию жидкости и отвод фильтрата, после чего
подают снизу взрыхляющую жидкость и отводят ее сверху. Расход
взрыхляющей жидкости выбирают таким образом, чтобы скорость
ее была достаточной для взвешивания самых крупных частиц за-
грузки, но не достигала величины, при которой наблюдается вынос
загрузки из фильтра. Взрыхление проводят в течение 3—5 мин.
После взрыхления концентрация удаляемых ионов в фильтрате
значительно снижается по сравнению с той’величиной, которая
была непосредственно перед взрыхлением, и фильтрат имеет тре-
буемое качество еще в течение длительного времени, составляю-
щего по данным производственных "испытаний более 30% межре-
генерационного периода. Когда концентрация удаляемых ионов
в фильтрате снова возрастает до предельно допустимой величины,
повторяют взрыхление по описанному способу. Повторное взрых-
ление также дает возможность продлить рабочийпериод ионообмен-
ного фильтра, ноТна меньший срок, чем первое. Число взрыхле-
ний зависит от условий' работы ионообменных фильтров и опреде-
ляется экспериментально. Целесообразнее всего делать одно-два
взрыхления.
Регенерация и работа ионообменных фильтров по предлагаемому
способу дают возможность значительно повысить рабочую обменную
емкость фильтра, увеличить межрегенерационный период его ра-
боты и снизить расход регенеранта. Достигаемый эффект объясня-
ется следующим образом. При прохождении регенерационного
раствора через загрузку ионообменного фильтра интенсивность
омывания поверхности зерен загрузки, а следовательно, и эффек-
тивность регенерации различна по всей поверхности.
В частности к областям поверхности зерен, прилегающим к точ-
кам соприкосновения их между собой, доступ регенерационного
раствора значительно затруднен, поэтому эти области (отмечены
на рис. 2.15) при обычных способах регенерации оказываются от-
регенерированными недостаточно полно. Кроме того, удельный рас-
ход "регенерационного раствора через отдельные микро- и макро-
области горизонтального сечения загрузки фильтра неодинаков,
— 64 —
что также является одной из I I I I i I I I
причин неэкономичного расхо- ' ' ' * ' ' ' ’
дования регенеранта и недоста-
точной эффективности приме- z—xZ V—
няемых в настоящее время спо- ( X A J
собов регенерации ионообменных
фильтров с компактным слоем ( Т 1 & ]Г I
загрузки.
Кратковременное взрыхление X I Г )
загрузки ионообменного фильт- ( 1
ра во время регенерации дает \ X )
возможность изменить укладку [ К—
зерен загрузки, вследствие чего 4--------/
Те области поверхности зерен, К рис. 2.15. Укладка зерен ионообменной за-
которым ранее был затруднен грузки
доступ регенерационного раство-
ра, оказываются для него более доступными во время дальнейшей
регенерации. Несколько таких кратковременных взрыхлений в про-
цессе регенерации дают возможность значительно более полно и с
меньшими затратами реагента отрегенерировать загрузку ионооб-
менного фильтра, чем при применяемых до сих пор способах ре-
генерации.
Кратковременное взрыхление загрузки во время работы филь-
тра, когда обменная способность при данной укладке зерен почти
исчерпана, также предпринимается с целью изменения укладки
зерен. Это позволяет ввести в работу области поверхности зерен,
прилегающие к точкам соприкосновения их между собой, а также
области, экранируемые от ионируемой жидкости загрязнениями
и пузырьками воздуха, выделяющимися в процессе работы
фильтра.
Внедрение данного способа регенерации и работы ионообменных
фильтров на станции Na-катионитового умягчения воды одного из
химических комбинатов дало возможность увеличить рабочую об-
менную емкость загрузки фильтров на 26—34,5%, продлить меж-
регенерационный период работы фильтров на 37,4—52,4% и умень-
шить расход поваренной соли, используемой для регенерации филь-
тров, на 6,8—15%.
БЕЗРЕАГЕНТНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ВОДЫ
Наряду с описанными выше химическими методами обработки во-
ды для борьбы с карбонатными отложениями в системах оборотного
водоснабжения в последнее время применяют также некоторые без-
реагентные способы и прежде всего магнитную обработку воды.
Характерной чертой данного способа, привлекающей к нему вни-
мание исследователей и практиков, является простота и дешевизна
оборудования, небольшие эксплуатационные расходы, отсутствие
необходимости в реагентах, а также в обслуживающем персонале
3 Зак. 153 6 — 65 —
Физико-химическая сущность явлений, происходящих при обра-
ботке воды магнитным полем, в настоящее время еще не выяснена.
Автором данной главы разработаны конструкции магнитных ап-
паратов [3], позволяющих в широком диапазоне варьировать пара-
метры обработки воды магнитным полем, и проведены широкие ис-
следования этого метода в полупроизводственных и промышленных
условиях. Экспериментально установлено, что эффективность маг-
нитной обработки воды зависит от многих факторов: химического со-
става воды, напряженности поля и числа полюсов аппарата, ско-
рости движения воды в зазоре аппарата, продолжительности пре-
бывания обработанной воды в системе и др. Методики расчета оп-
тимального режима обработки воды магнитным полем, учитывающей
влияние всех указанных факторов, в настоящее время не существует.
Более того, не представляется даже возможным заранее сказать,
будет ли достигнут эффект магнитной обработки в том либо ином
случае или нет.
Опыт применения магнитной обработки воды для борьбы с кар-
бонатными отложениями в системах оборотного водоснабжения на
сегодняшний день невелик. В литературе имеются указания о том,
что в ряде случаев с помощью данного метода удается добиться
полного предотвращения карбонатных отложений в системах обо-
ротного водоснабжения. Результаты наших экспериментальных ис-
следований на полупроизводственной установке показывают, одна-
ко, что такого эффекта удается добиться не всегда даже при изме-
нении параметров магнитной обработки воды в широких пределах,
тогда как реагентными способами в аналогичных'условиях эта цель
достигается. Очевидно, магнитная обработка при всех ее преиму-
ществах далеко не всегда может быть конкурентоспособна с реагент-
ными методами. Целесообразность применения магнитной обработ-
ки для какого-либо конкретного случая можно определить экспе-
риментально.
К числу безреагентных методов, применяемых для борьбы с кар-
бонатными отложениями в теплообменных аппаратах, наряду с маг-
нитной обработкой следует отнести также ультразвуковую обработ-
ку. Применение этого метода связано с использованием более слож-
ного и дорогостоящего оборудования, чем при магнитной обработ-
ке. Ультразвуковая обработка применяется не для всей системы
в целом, а локально для отдельных теплообменных аппаратов. Было
проведено исследование эффективности ультразвуковой обработ-
ки как метода борьбы с накипеобразованием на погруженном тепло-
обменном аппарате одного из нефтеперерабатывающих заводов. Бы-
ла применена ультразвуковая установка ИГ-58 с собственной ча-
стотой колебаний вибратора 25 кГц. Частоту импульсов принимали
от 2 до 50 Гц. Наибольший эффект (равный примерно 47% для ин-
дикаторных пластинок, расположенных вблизи источника ультра-
звуковых колебаний) достигался в диапазоне частот от 30 до 40 Гц;
при дальнейшем повышении частоты импульсов эффект ухудшался.
Теми же опытами установлено, что интенсивность накипеобразо-
- 66 —
вания зависит не только от параметров ультразвуковой обработки,
но и от положения поверхности относительно направления распро-
странения ультразвуковых колебании. Эффективность ультразвуко-
вой обработки, в отличие от магнитной, весьма мало меняется с из-
менением расхода воды. Ультразвуковые установки, возможно,
смогут найти применение как средство борьбы с накипеобразова-
нием в отдельных аппаратах.
Г л а в а 3. СУЛЬФАТНЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ
В СИСТЕМАХ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Наряду с наиболее распространенными в системах оборотного
водоснабжения отложениями карбоната кальция нередки случаи,
когда в теплообменных аппаратах образуются и отложения сульфата
кальция. Проблема сульфатных отложений становится с каждым
годом острее в связи с дефицитом воды в ряде промышленных райо-
нов и переводом систем оборотного водоснабжения на режимы ра-
боты с минимальными добавками воды и соответственно с максималь-
ными коэффициентами концентрирования солей. При максимальных
значениях коэффициентов концентрирования содержание сульфата
кальция в оборотной воде может достигать предела растворимости
даже при использовании в качестве добавочных пресных природных
вод и тем более минерализованных подземных или морских вод,
в которых концентрация ионов Са2+ и SO2- гораздо выше, чем
в природных.
Сульфат кальция может выделяться из раствора в виде трех
модификаций: дигидрата CaSO4-2H2O, полугидрата 2CaSO4-H2O
и ангидрита CaSO4, которые имеют различную растворимость
(рис. 3.1).
Метастабильное равновесие наступает весьма медленно, и поэто-
му наблюдаемые на практике значения растворимости метастабиль-
ных соединений могут заметно отличаться от равновесных.
При температурах воды, характерных для систем оборотного во-
доснабжения, из раствора выделяется в основном двуводный или
полуводный сульфат кальция. Полугидрат образуется практически
во многих случаях, однако он не является стабильной фазой. При
температуре до 46° С стабильным соединением является двуводный
гипс, а при температуре выше 40° С — ангидрит, который может
длительное время оставаться в состоянии пересыщения. Скорость
перехода полугидрата в двуводный гипс определяется степенью
пересыщения и зависит также от температуры раствора и наличия
в нем примесей, особенно поверхностно-активных веществ.
Одним из основных методов предотвращения сульфатных
отложений в системах оборотного водоснабжения является выбор
параметров водного режима, при которых (при данном химическом
составе добавочной воды и принятом методе стабилизационной об-
3*
— 67 —
работки) произведение актив-
ных концентраций ионов Са2+
и SO2 " не превышает произве-
дения растворимости сульфата
кальция, как это показано в
гл. 2 в разделе о выборе опти-
мальной величины коэффициента
концентрирования солей в си-
стемах оборотного водоснабже-
ния.
В тех случаях когда для под-
держания коэффициента кон-
Рис. 3.1. Растворимость различных форм ЦеНТрИрОВЯНИЯ На уровне, ИС-
сульфата кальция воде в зависимости от КЛЮЧаЮЩбМ ВОЗМОЖНОСТЬ обрИЗО-
-----зона стабильного равновесия; ВаНИЯ СуЛьфаТНЫХ ОТЛОЖеНИЙ,
-----зона метастабилыюго равновесия требуеТСЯ ДОСТЗТОЧНО боЛЬШОЙ
сброс воды из системы, превы-
шающий водные ресурсы предприятия или неприемлемый по тех-
нико-экономическим соображениям, прибегают к химической или
ионообменной обработке воды.
В качестве средств обработки воды для стабилизации сульфа-
та кальция были испытаны некоторые поверхностно-активные ве-
щества. Наибольший эффект был достигнут при обработке воды гек-
саметафосфатом натрия, дозой 1,5—2 мг/л по Р2О5. В зарубежной
литературе, однако, встречаются указания о том, что концентрации
гексаметафосфата натрия, необходимые для стабилизации сульфата
кальция, значительно выше указанных и достигают 25—50 мг/л.
Механизм стабилизирующего действия этого реагента в отношении
сульфата кальция, видимо, аналогичен описанному в главе 2 для
карбоната кальция.
В зарубежной практике для борьбы с сульфатными отложениями
находит применение карбоксиметилцеллюлоза с активной группой
CH2OCH2COONa. Стабилизирующее действие этого соединения за-
висит от его молекулярного веса. Более эффективны соединения с
меньшим молекулярным весом. Применение находит карбоксиметил-
целлюлоза с молекулярным весом 50 000. При концентрации этого
соединения 20 мг/л была достигнута 100%-ная стабилизация суль-
фата кальция; при концентрации 10 мг/л эффект составлял 95%.
Если нужно одновременно стабилизировать сульфат и карбонат
кальция, применяют смесь карбоксиметилцеллюлозы и гексамета-
фосфата натрия. При соотношении этих компонентов 1 : 1 и кон-
центрации смеси 10 мг/л была достигнута стабилизация по карбо-
нату и сульфату кальция соответственно 92 и 88%. При удвоенной
концентрации смеси эффект стабилизации сульфата кальция повы-
сился до 95%.
В тех случаях когда выбранные параметры водного режима си-
стемы оборотного водоснабжения не соответствуют химическому со-
ставу добавочной воды и обработка воды для предотвращения суль-
— 68 —
фатных отложений не производится или производится недостаточно
эффективно, в системе образуются кристаллические отложения
сульфата кальция, которые наблюдаются в основном в теплообмен-
ных аппаратах и в меньшей мере в трубопроводах и градирнях.
Сульфатные отложения, подобно карбонатным, приводят к рез-
кому ухудшению теплопередачи и повышению гидравлического
сопротивления теплообменных аппаратов со всеми вытекающими
отсюда последствиями и таким образом наносят большой ущерб
промышленным предприятиям.
Если было допущено образование сульфатных отложений, необ-
ходимо принять меры для их удаления. Сделать это несколько про-
ще, чем очистить систему от карбонатных отложений. Одним из
наиболее простых и в то же время достаточно эффективных спосо-
бов удаления сульфатных отложений из систем оборотного водо-
снабжения является отмывание их водой, в которой произведение
концентраций ионов Са2+ и SO2- значительно меньше произведения
растворимости сульфата кальция. Такие условия могут быть со-
зданы в самой системе оборотного водоснабжения путем надлежаще-
го выбора параметров водного режима и соответственно коэффициен-
та концентрирования солей в оборотной воде.
Так, на одном предприятии использовали в качестве добавочной
воду жесткостью 7—10 мг-экв/л, щелочностью 5—6 мг-экв/л, с вы-
соким содержанием сульфатов, при коэффициенте концентрирова-
ния не выпадающих в осадок солей, достигавшем 6 и даже 8. Ста-
билизационная обработка воды не производилась, и в системе,
естественно, наблюдалось интенсивное образование карбонатных
отложений; сульфатных отложений не было. Для предотвращения
карбонатных отложений было введено подкисление воды серной кис-
лотой при тех же параметрах водного режима системы. Дальнейшее
образование карбонатных отложений было предотвращено. Однако
в теплообменных аппаратах и трубопроводах системы начали ин-
тенсивно образовываться сульфатные отложения, так как при под-
кислении серной кислотой в систему было введено дополнительное
количество сульфатов и произведение концентраций ионов Са2+
и SO2- в оборотной воде превысило произведение растворимости
сульфата кальция. Предотвращение образования сульфатных отло-
жений и удаление уже образовавшихся было достигнуто небольшим
сбросом воды из системы и снижением коэффициента концентри-
рования до 4, при котором произведение активных концентраций
ионов Са2+ и SO2- стало значительно меньше произведения раство-
римости сульфата кальция.
Для отмывания сульфатных отложений применяют также различ-
ные химические реагенты, в частности растворы поваренной соли
10—15%-ной концентрации, хлористого магния, тиосульфата на-
трия, лимоннокислого натрия, фосфата натрия, соляной и азотной
кислот и др. Указанными растворами можно отмывать только от-
дельные теплообменные аппараты с помощью стационарной или пере-
движной установки.
— 69 —
Глава 4. МЕХАНИЧЕСКИЕ ОТЛОЖЕНИЯ
В СИСТЕМАХ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Для систем оборотного водоснабжения многих промышленных
предприятий характерно значительное загрязнение грубодисперс-
ными примесями, вносимыми извне.
Одним из основных источников загрязнений систем оборотного
водоснабжения грубодисперсными примесями является вода, добав-
ляемая в системы для восполнения потерь. Воды поверхностных
источников, наиболее часто используемые в качестве добавочных,
содержат значительные количества взвешенных веществ, концентра-
ции которых в разных источниках колеблются от десятков до
нескольких тысяч мг/л. Для оценки влияния взвешенных веществ
на работу систем оборотного водоснабжения важна не только их
концентрация, но и гранулометрический состав.
Воды поверхностных источников подаются в системы оборотного
водоснабжения после отстаивания в водохранилищах или осветле-
ния в отстойниках, на фильтрах и других сооружениях. Нередки,
однако, случаи, когда речные воды без какой бы то ни было очистки
используют в качестве добавочных.
Другим источником загрязнения грубодисперсными примесями
систем оборотного водоснабжения является пыль из атмосферного
воздуха, попадающая в оборотную воду при охлаждении последней
в градирнях. В воздухе во взвешенном состоянии могут находиться
минеральные пылинки размером до 10-2 см и частицы органиче-
ского происхождения еще большего размера, но преобладающая
часть взвешенной в воздухе пыли состоит из частиц диаметром менее
10~4 см. Приблизительно 10% всей пыли приходится на частицы диа-
метром (1 -у- 3) 10 ‘сми только 0,05—0,1%—на частицы крупнее
4-10~4 см. Наибольшая концентрация пыли в воздухе наблюдается
непосредственно у поверхности земли; по мере удаления от нее
запыленность воздуха быстро уменьшается. В ветреную погоду,
однако, распределение пыли в воздухе становится более равно-
мерным.
Концентрация пыли в воздухе зависит от многих факторов:
от состояния и структуры почвы, скорости ветра, степени загряз-
нения воздуха промышленными предприятиями и т. д.
Средние концентрации пыли, мг/м3, в воздухе по различным
районам и объектам следующие [24]:
Сельские и пригородные районы...................0,05—0,5
Столичные районы................................0,1 — 1
Промышленные области............................0,25—5
Обычные фабрики или рабочие помещения .... 0,5—10
Особо запыленные фабрики или рудники .... 10—900
Взвешенная в воздухе пыль или мелкие частицы грунта, переме-
щаемые ветром по поверхности земли, беспрепятственно попадают
в градирни. Пылевые частицы захватываются каплями воды, а так-
же водяной пленкой на оросителе. Вопросу о том, какая часть за-
— 70 —
грязнений, содержащихся в воздухе, переходит в оборотную воду
при тех или иных условиях работы градирен, посвящены наши экс-
периментальные исследования на крупномасштабной эксперимен-
тальной установке.
Анализ результатов опытов показывает, что количество взве-
шенных веществ, переходящих в оборотную воду из воздуха в гра-
дирнях, возрастает с увеличением запыленности атмосферного воз-
духа при всех исследованных значениях плотности орошения [6,
8 и 10м3/(м2-ч)1, характерных для градирен промышленных систем
оборотного водоснабжения.
Общий эффект перехода взвешенных веществ из атмосферного
воздуха в оборотную воду изменяется в диапазоне от 73 до 93% при
изменении запыленности атмосферного воздуха от 0,04 до 5,09 мг/м3.
Количество взвешенных веществ, переходящих в оборотную воду
из атмосферного воздуха, может быть определено по формуле
АС ^СВ03д,
где АС — прирост концентрации взвешенных веществ в оборотной воде
при прохождении ее через градирню, г/м3; СВозд — запыленность атмосфер-
ного воздуха, мг/м3.
Коэффициент k определяется экспериментально. Ниже приве-
дены значения коэффициента k в зависимости от плотности оро-
шения:
Плотность орошения, м3/(м2-ч)...............6 8 10
Коэффициент Л...............................1,45 1,16 0,93
Исследования загрязнений систем оборотного водоснабжения,
вносимых воздухом и добавочной водой, выполнены нами на трех
промышленных системах оборотного водоснабжения предприятий,
расположенных в разных местах европейской части СССР.
В I и II системах в качестве добавочной используется подземная
вода и речная вода, очищаемая в осветлителях и на песчаных филь-
трах и содержащая не более 2 мг/л взвешенных веществ. Запылен-
ность воздуха в районе расположения градирен составляет в сред-
нем 0,2—0,3 мг/м3.
В III системе восполнение потерь воды производится водой из
источника В (см. табл. 2.1), которую в паводковый период подвер-
гают осветлению в горизонтальных отстойниках с применением в ка-
честве коагулянта сернокислого алюминия, а в остальное время пода-
ют на завод без осветления. В период исследований воду не осветля-
ли. Концентрация взвешенных веществ в ней составляла 15—20 мг/л.
Запыленность воздуха изменялась от 0,05 до 0,4 мг/м3.
По результатам опытов для всех упомянутых систем оборотного
водоснабжения определены количества механических загрязнений,
вносимых в них с добавочной водой и с воздухом в градирнях
(табл. 4.1). Анализ данных табл. 4.1 показывает, что в I и II систе-
мах, использующих в качестве добавочной подземную и осветлен-
ную речную воду, количество загрязнений, вносимых в систему
— 71 —
Таблица 4.1
Система оборотного водоснабже- ния Расход оборотной воды, м3/ч Перепад температур в градирнях, град Коэффициент концентриро- вания солей Количество загрязнений, вносимых в систему за 6 мес, кг
с воздухом с добавоч- ной водой
I 960 2—2,3 1,3 1630 15,5
II 900 2,5—2,8 1,2—1,3 1920 41
III 10400 6—9 1,35—1,85 6800 22610
с добавочной водой, пренебрежимо мало по сравнению с количест-
вом их, вносимым с воздухом. Что же касается III системы, работаю-
щей на неосветленной речной воде, то здесь с добавочной водой вно-
сится значительно больше загрязнений, чем с воздухом.
Грубодисперсные примеси, вносимые в системы оборотного во-
доснабжения с дабавочной водой и воздухом, частично находятся во
взвешенном состоянии и циркулируют по системам, частично осаж-
даются и соосаждаются с различного рода отложениями и обраста-
ниями в резервуарах градирен, теплообменных аппаратах и трубо-
проводах систем оборотного водоснабжения и частично выводят-
ся из системы с выносом из градирен и со сбросом.
Определение влияния грубодисперсных примесей на работу от-
дельных аппаратов и сооружений системы оборотного водоснабже-
ния и всей системы в целом чрезвычайно актуально, поскольку от
этого зависит решение вопроса о необходимости и целесообразности
очистки оборотной и добавочной воды от грубодисперсных примесей
и о выборе режимов и сооружений для такой достаточно дорогой как
по капитальным, так и по эксплуатационным затратам очистки. Этим
вопросам и посвящены экспериментальные исследования на полу-
производственных моделях систем оборотного водоснабжения и не-
посредственно на промышленных системах, выполненные Д. И. Ку-
черенко и В. А. Меркуловым.
Исследования влияния грубодисперсных примесей на сооруже-
ния оборотного водоснабжения выполнены для систем, подвержен-
ных биологическим обрастаниям, карбонатным отложениям, а так-
же для систем, характеризующихся отсутствием отложений. В си-
стемах, подверженных биологическим обрастаниям, исследовалось
влияние концентрации грубодисперсных примесей на работу тепло-
обменных аппаратов при различных скоростях движения воды в них.
Эффективность работы теплообменных аппаратов и ее изменение во
времени определялись по величинам общего коэффициента тепло-
передачи и гидравлического сопротивления.
При скорости движения воды в трубках теплообменника 1 м/с
опыты проводили в диапазоне концентраций грубодисперсных при-
месей от 0 до 2000 мг/л в расчете на добавочную воду. Опытами уста-
новлено (рис. 4.1), что при концентрации грубодисперсных примесей
- 72 —
Рис. 4.1. Изменение во времени t коэффи-
циентов теплопередачи теплообменных ап-
паратов в системах, подверженных биоло-
гическим обрастаниям, при скорости дви-
жения воды в трубках теплообменника
1 м/с
Вода Концентрация ГДП
Кривые
1 | 2 | з\ 4 5 | 6
Добавочная
Оборотная
в добавочной воде 160—210 мг/л (в оборотной воде их концентрация
при этом составляет 40—52 мг/л) коэффициент теплопередачи у
теплообменногоаппарата, подверженного биообрастаниям, значи-
тельно выше, чем у аппарата, работавшего на воде, не содержащей
грубодисперсных примесей, с такой же интенсивностью биообра-
станий.
Осмотр теплообменных аппаратов по окончании эксперимента
показал следующее. В аппарате, работавшем на воде, содержащей
грубодисперсные примеси в указанных концентрациях, обнаружи-
ваются незначительные включения этих примесей в массе биообра-
станий, развивающихся'в трубках аппарата. Толщина слоя биооб-
растаний на поверхностях трубок этого аппарата несколько меньше,
чем на трубках аппарата, работавшего в аналогичных условиях на
воде, не содержащей грубодисперсных примесей. Этим и объясняет-
ся то, что коэффициент теплопередачи у первого аппарата был
выше, чем у второго.
При концентрации грубодисперсных примесей в добавочной воде
450—700 мг/л (в оборотной 420—525 мг/л) коэффициент теплопере-
дачи’был значительно ниже, чем при концентрации 160—210 мг/л,
но несколько выше, чем в контрольном опыте при отсутствии грубо-
дисперсных примесей в воде. Отложения в трубках теплообменника
в этом случае представляли собой конгломерат из биологических
обрастаний и грубодисперсных примесей, толщина слоя отложений
была значительно меньше, чем в контрольном опыте.
Наконец, при концентрации грубодисперсных примесей в доба-
вочной воде 1920 мг/л (в оборотной 1120 мг/л) коэффициент тепло-
передачи был значительно ниже и толщина слоя отложений гораздо
меньше, чем в контрольном опыте. При этом отложения состояли
в основном из грубодисперсных примесей, введенных с добавочной
водой, с небольшими включениями биообрастаний.
— 73 —
Рис. 4.2. Изменение во време-
ни коэффициентов теплопе-
редачи теплообменных аппа-
ратов систем, подвержен-
ных биологическим обра-
станиям, при скорости дви-
жения воды в трубках теп-
лообменника 0,5 м/с
/ — при концентрации ГДП
в добавочной и оборотной
воде 0 мг/л; 2 — то же, в
добавочной воде 300 мг/л и
в оборотной 40 мг/л; 3 —
то же, соответственно 850 и
100 мг/л
Аналогичные эксперименты были проведены в системе, подвер-
женной биологическим обрастаниям, при скорости движения воды
в трубках теплообменника 0,5 м/с. Опыты проводили при концентра-
циях грубодисперсных примесей в добавочной воде 300 и 850 мг/л
(в оборотной воде было соответственно 40 и 400 мг/л), контрольный
опыт был проведен на воде, практически не содержащей взвешенных
веществ. В результате опытов установлено, что при указанных зна-
чениях концентраций грубодисперсных примесей коэффициенты теп-
лопередачи теплообменных аппаратов незначительно отличались от
величин, характерных для контрольного опыта, хотя и были не-
сколько ниже их: тем ниже, чем выше концентрация грубодисперс-
ных примесей (рис. 4.2).
Сказанному выше может быть дано следующее объяснение. При
использовании воды, содержащей грубодисперсные примеси, в си-
стемах оборотного водоснабжения происходят одновременно два
процесса: абразивный унос массы биообрастаний и внедрение в эту
массу частиц грубодисперсных примесей. Какой из этих процессов
будет преобладать в том или ином случае, зависит от скорости
движения воды и концентрации в ней грубодисперсных примесей.
От этих же параметров зависят толщина слоя отложений и соотно-
шение в нем биообрастаний и грубодисперсных примесей.
При скорости 1 м/с в системе, использующей в качестве добавоч-
ной воду, содержащую 150—200 мг/л грубодисперсных примесей,
отложения в трубках теплообменников состояли в основном из
биообрастаний с незначительными включениями грубодисперсных
примесей. При концентрациях 450—700 мг'л отложения представляли
собой конгломерат биообрастаний и грубодисперсных примесей.
И, наконец, при концентрации 2000 мг/л отложения состояли почти
исключительно из грубодисперсных примесей с незначительным
включением биообрастаний. Толщина слоя отложений в указанных
опытах снижалась с увеличением концентрации грубодисперсных
примесей. Наряду с этим с увеличением концентрации снижался
и коэффициент теплопередачи, несмотря на уменьшение толщины
слоя отложений.
— 74 —
Следовательно, слой биообрастаний в чистом виде меньше снижает
теплопередачу, чем конгломерат, состоящий из биообрастаний и
грубодисперсных примесей, а этот конгломерат в свою очередь
снижает теплопередачу меньше, чем слой отложений, состоящий пре-
имущественно из грубодисперсных примесей.
Таким образом, в системах оборотного водоснабжения, подвер-
женных биологическим обрастаниям, при наиболее часто практи-
куемых скоростях движения воды в трубках теплообменных аппа-
ратов (1 м'с) грубодисперсные примеси ухудшают работу теплооб-
менного оборудования только в тех случаях, когда их концентра-
ции достигают больших значений (примерно 2000 мг/л в расчете на
добавочную воду). При концентрациях 450—700 мг/л грубодисперс-
ные примеси способствуют некоторому повышению коэффициентов
теплопередачи. При концентрациях 150—200 мг/л эти коэффициен-
ты повышаются еще более, и теплопередача значительно улучшает-
ся по сравнению с теплопередачей контрольного аппарата, рабо-
тающего на воде, практически не содержащей грубодисперсных при-
месей, при той же интенсивности развития биологических обраста-
ний. Это объясняется, по-видимому, преобладанием процесса абра-
зивного уноса биообрастаний водой, содержащей грубодисперсные
примеси в указанных концентрациях, над процессом внедрения этих
примесей в массу биообрастаний.
При скоростях движения воды в трубках теплообменников 0,5 м/с,
когда абразивное действие грубодисперсных примесей значительно
меньше, чем при скорости 1 м/с, грубодисперсные примеси уже
в концентрациях 300—850 мг/л несколько ухудшают теплопередачу.
Аналогичные опыты по исследованию влияния грубодисперсных
примесей на работу теплообменных аппаратов проведены нами
в условиях работы систем оборотного водоснабжения, исключаю-
щих образование биологических обрастаний, коррозии и солевых
отложений. Исследования проводились на полупроизводственной
модели системы оборотного водоснабжения с расходом оборотной
воды 1000 л/ч.
В первой серин опытов концентрации вводимых с добавочной
водой грубодисперсных примесей были 150, 500 и 1000 мг/л при ско-
рости движения воды в трубках теплообменника, равной во всех
опытах 1 м/с, и при прочих равных условиях. В результате этих
опытов установлено, что наличие грубодисперсных примесей вводе
во всем исследованном диапазоне концентраций приводит к обра-
зованию отложений в трубках теплообменных аппаратов и прояв-
ляется в снижении их общих коэффициентов теплопередачи. Интен-
сивность образования отложений была тем большей, чем выше
концентрация грубодисперсных примесей в добавочной воде.
Так, в опыте с концентрацией грубодисперсных примесей 150 мг/л
снижение коэффициента теплопередачи в процессе эксперимента
составило при установившемся режиме 20% [с 1600 до 1280 ккал/
/(м2-ч-°С), или с 1856 до 1485 Вт/(м2-° С)], а при концентрации
грубодисперсных примесей, равной 1000 мг/л, было отмечено умень-
— 75 —
шение коэффициента теплопередачи на 35% [с 1460 до 930 ккал/
/ (м2-ч-° С), или с 1694 до 1079 Вт/(м2-° С)]. Изменение гидравличе-
ского сопротивления теплообменных аппаратов в процессе экспе-
римента во всех опытах первой серии было незначительным.
Во второй серии опытов было исследовано влияние скорости дви-
жения воды в трубках теплообменного аппарата на интенсивность
образования механических отложений при одинаковой концентра-
ции грубодисперсных примесей в добавочной воде 500 мг/л. Опыты
проведены при скоростях 1,6, 1 и 0,37 м/с, охватывающих практиче-
ски весь диапазон наиболее характерных скоростей для теплообмен-
ных аппаратов промышленных систем оборотного водоснабжения.
Опытами этой серии установлено, что интенсивность образования
механических отложений в трубках теплообменных аппаратов в зна-
чительной мере зависит от скорости движения воды в них. Так,
в теплообменных аппаратах, где скорости движения составляли
0,37 и 1 м/с, снижение коэффициента теплопередачи соответственно
было 33% [с 1100 до 735 ккал/(м2-ч-° С), или с 1276 до 853 Вт/
/ (м2-° С)1 и 25% [с 1280 до 960 ккал/(м2-ч-° С), или с 1485 до 1114
Вт/(м2-° С)]. При скорости движения воды в трубках теплообменни-
ка, равной 1,6 м/с, снижения коэффициента теплопередачи в усло-
виях эксперимента практически не наблюдалось.
Как уже говорилось в начале этой главы, в системы оборотного
водоснабжения нередко заносится большое количество грубодис-
персных примесей с добавочной водой и с воздухом в градир-
нях (см. табл. 4.1).
При контакте в градирнях оборотной воды с воздухом, по дан-
ным наших экспериментальных исследований на полупроизводствен-
ной градирне, до 90% содержащихся в воздухе грубодисперсных
примесей поступает в воду. В систему с расходом оборотной воды
10 000 м3/ч, расположенную в районе, где запыленность воздуха
составляет 0,5 мг/м3, с воздухом вводится ежесуточно до 100 кг
грубодисперсных примесей. При запыленности воздуха 10 мг/м3
количество грубодисперсных примесей, вводимых в такую же си-
стему, достигает 2000 кг/сут.
Грубодисперсные примеси вносятся в системы оборотного водо-
снабжения не только извне, они образуются также в самих систе-
мах при их эксплуатации. К этим загрязнениям относятся биологиче-
ские обрастания, развивающиеся в теплообменных аппаратах, тру-
бопроводах и градирнях, продукты коррозии трубок теплообмен-
ных аппаратов и трубопроводов, кристаллы карбоната кальция,
продукты эрозии конструктивных элементов градирен, а также
взвешенные вещества, образующиеся в результате утечек в оборот-
ную воду охлаждаемого продукта.
Доля грубодисперсных примесей, обусловленных процессами
развития биологических обрастаний, образования карбонатных от-
ложений и коррозии, в системах оборотного водоснабжения неве-
лика даже при большой интенсивности этих процессов. Так, при
средних значениях концентрации грубодисперсных примесей в до-
— 76 -
бавочной воде 200 мг/л и запыленности воздуха 1 мг/м3 концентра-
ция в оборотной воде грубодисперсных примесей, внесенных в си-
стему с добавочной водой и воздухом составляет 100—220 мг/л.
Концентрация грубодисперсных примесей биологического проис-
хождения (уносимых с оборотной водой биологических обрастаний)
составляет 5—7 мг/л при интенсивности увеличения толщины слоя
этих обрастаний на поверхностях теплообмена 1 мм/мес. Концентра-
ция продуктов коррозии в оборотной воде составляет 0,2—4 мг/л
при интенсивности коррозионного процесса 0,1 мм/год. Концентра-
ция кристаллов карбоната кальция в оборотной воде не превышает
2—3 мг/л даже при интенсивности образования карбонатных от-
ложений 1500 кг/сут в системе с расходом оборотной воды 10 000 м3/ч.
Учитывая, что грубодисперсные примеси в том или ином случае
составляют значительную часть отложений в теплообменных аппа-
ратах и в резервуарах градирен и что концентрация грубодисперс-
ных примесей в оборотной воде превосходит рекомендуемые норма-
тивные значения, в последние годы нередко на промышленных пред-
приятиях строят сооружения для осветления поверхностных вод,
используемых в качестве добавочных в системы оборотного водо-
снабжения, а также для частичного осветления оборотной воды.
Для осветления оборотной воды чаще применяют самопромы-
вающиеся сетчатые фильтры.
С целью защиты сооружений и аппаратов систем оборотного
водоснабжения от грубо дисперсных примесей на предприятиях неко-
торых отраслей промышленности строят отстойники (в частности,
радиальные) для осветления оборотной воды. Находят применение
также схемы водоподготовки, предусматривающие отстаивание
с коагулированием части оборотной воды в осветлителях и с пос-
ледующей фильтрацией ее на кварцевых фильтрах.
В этой связи необходимо отметить, что строительство таких
сооружений, дорогих как по капитальным затратам, так и в экс-
плуатации, далеко не всегда оправдано и не всегда дает ожидаемый
экономический эффект. Так, на одном из предприятий, где в экс-
плуатации находилось несколько крупных систем оборотного водо-
снабжения без какой бы то ни было обработки воды с целью уда-
ления грубодисперсных примесей, для вновь строящейся системы
была запроектирована станция двухступенчатой очистки части обо-
ротной воды (8% общего расхода) — в осветлителях и на фильтрах.
Такая очистка дает возможность поддерживать концентрацию гру-
бодисперсных примесей в оборотной воде на уровне примерно 5 мг/л,
но не вносит каких-либо заметных улучшений в работу данной систе-
мы по сравнению с другими, где, например, концентрация грубо-
дисперсных примесей составляет 20—25 мг/л.
Такого рода примеры необоснованного проектирования и строи-
тельства сооружений для очистки оборотной воды от грубодисперс-
ных примесей, к сожалению, не единичны.
Вопрос о целесообразности строительства таких сооружений
или применения каких-либо других методов защиты сооружений
— 77 —
и аппаратов системы оборотного водоснабжения от грубодисперсных
примесей достаточно сложен. Он не может быть решен на основе
практикуемого обычно упрощенного подхода, базирующегося лишь
на наличии грубодисперсных примесей в составе отложений в систе-
ме или на концентрации их в оборотной воде. Само по себе наличие
в оборотной воде грубодисперсных примесей, даже в больших кон-
центрациях, еще не свидетельствует о целесообразности строи-
тельства сооружений для частичного осветления оборотной воды.
Так, в системах, подверженных биологическим обрастаниям, как
показано выше, внесенные извне грубодисперсные примеси в кон-
центрациях, достигающих сотен миллиграммов на литр, не только
не снижают, но даже несколько повышают эффективность теплооб-
менных аппаратов благодаря абразивному уносу части биообраста-
ний, развивающихся на поверхностях теплообмена.
Влияние грубодисперсных примесей на работу теплообменных
аппаратов, подверженных коррозии и карбонатным отложениям,
изучено еще недостаточно. Здесь также наблюдаются два процесса,
оказывающих противоположное влияние на коэффициент теплопе-
редачи: абразивный унос отложений и включение грубодисперсных
примесей в состав отложений. От того, какой из этих факторов ока-
жется преобладающим в том или ином случае, зависит результи-
рующее влияние грубодисперсных примесей на коэффициент тепло-
передачи.
В системах, для которых не характерны процессы образования
карбонатных отложений, коррозии и биологических обрастаний,
грубодисперсные примеси, как показали эксперименты, описанные
выше, могут образовывать отложения, но только при небольших
скоростях движения воды в трубках теплообменника. При скоростях
1,5 м/с отложений в условиях эксперимента практически не на-
блюдалось. Это свидетельствует о том, что и для таких систем не-
обходимость применения мер для предотвращения отложений гру-
бодисперсных примесей возникает не всегда, а лишь при неболь-
ших скоростях движения воды. Да и в этом случае совсем не обя-
зательно применять частичное фильтрование оборотной воды, как
это теперь нередко практикуется.
Таким образом, влияние, которое оказывают грубодисперсные
примеси на работу систем оборотного водоснабжения, в значитель-
ной мере зависит от характерных особенностей систем: наличия и
характера отложений и обрастаний в теплообменных аппаратах
и гидравлического режима этих аппаратов.
Большое влияние оказывает также гидравлическая крупность
и количество грубодисперсных примесей, вводимых в систему с воз-
духом в градирнях и с добавочной водой. Немаловажное значение
имеют и конструктивные особенности теплообменного оборудова-
ния, в частности наличие в системе погруженных или других теп-
лообменных аппаратов с очень низкими скоростями воды, в ко-
торых наблюдается более интенсивное осаждение грубодисперсных
примесей, чем в трубчатых аппаратах, при прочих равных условиях.
— 78
Поэтому решение о необходимости и целесообразности примене-
ния тех или иных мероприятий по удалению грубодисперсных при-
месей из отдельных аппаратов и сооружений системы оборотного
водоснабжения или из системы в целом должно приниматься в каж-
дом конкретном случае на основе анализа всех указанных факторов,
тщательного обследования данной системы или аналогичных сис-
тем, а иногда и экспериментальных исследований.
Обследованием должны быть установлены следующие данные:
гидравлическая крупность и количество грубодисперсных приме-
сей, вносимых в систему с воздухом и с добавочной водой, интен-
сивность осаждения грубодисперсных примесей в резервуаре
градирни и в теплообменных аппаратах, наличие в этих аппара-
тах других разновидностей отложений и обрастаний (карбонатных,
биологических, продуктов коррозии).
Решающее значение имеет определение влияния грубодисперс-
ных примесей, вводимых извне в систему, на коэффициент тепло-
передачи теплообменных аппаратов в конкретных условиях данной
системы, которое может быть выполнено только экспериментально
в промышленном масштабе (на нескольких характерных теплообмен-
ных аппаратах) или на моделях.
Наличие в составе отложений, образующихся в теплообменных
аппаратах, карбоната кальция, микроорганизмов или продуктов
коррозии свидетельствует о необходимости применения специаль-
ной обработки воды для предотвращения их образования.
Нередко процессы коррозии и образования солевых отложений
или биологических обрастаний всецело обусловливаются или ин-
тенсифицируются утечками охлаждаемых технологических продук-
тов в оборотную воду. В таких случаях следует прежде всего при-
нять меры по предотвращению этих утечек.
Если после внедрения мероприятий по предотвращению солевых
отложений, коррозии и биообрастаний все же наблюдается сниже-
ние коэффициентов теплопередачи теплообменных аппаратов, обус-
ловленное осаждением грубодисперсных примесей на поверхностях
теплообмена со стороны охлаждающей воды, следует прибегнуть к
одному из методов очистки теплообменных аппаратов или к более
полному осаждению грубодисперсных примесей в резервуарах гра-
дирен, или к предотвращению выноса этих примесей из резервуаров,
или же к частичному осветлению оборотной воды. Выбор способа оп-
ределяется технико-экономическим сравнением вариантов в каждом
конкретном случае.
От поступления грубодисперсных примесей с добавочной водой,
подаваемой из поверхностных источников, система оборотного во-
доснабжения может быть защищена осветлением этой воды, предпри-
нимаемым обычно в паводковые периоды. Для осветления добавоч-
ной воды применяются в основном следующие методы:
отстаивание воды без коагулирования;
отстаивание с коагулированием;
— 79 —
коагулирование без отстаивания, с фильтрованием на грубодис-
персных фильтрах;
фильтрование без предварительной обработки воды.
Что же касается грубодисперсных примесей, вносимых с возду-
хом в градирнях, то предотвратить их поступление в систему прак-
тически невозможно. Грубодисперсные примеси, поступающие в
оборотную воду с воздухом, осаждаются в основном в резервуаре
градирни и частично циркулируют с оборотной водой по системе,
удалясь из нее с выносом в градирнях и сбросом и осаждаясь в теп-
лообменных аппаратах и коммуникациях.
При существующих конструкциях резервуаров градирен и спо-
собах их эксплуатации в них скапливается большое количество
осадка. Этот осадок периодически удаляется, в основном вручную,
с выключением градирен из работы.
Значительное улучшение работы системы оборотного водоснаб-
жения может быть достигнуто в результате проведения следую-
щих мероприятий:
более частого, чем это практикуется, вывода осадка из резер-
вуаров градирен, для чего последние следует оборудовать приспо-
соблениями; по мере заполнения резервуара отложениями умень-
шается его полезный объем, вследствие чего возрастают скорости
движения воды в резервуаре и вынос отложений в трубопроводы
и теплообменные аппараты системы;
реконструкции резервуаров градирен, которая заключается в
углублении их, профилировании дна, оборудовании устройствами
для выпуска осадка по типу тех, что применяются в отстойниках,
и в сооружении ограждающих колодцев у трубопроводов, по кото-
рым вода отводится из резервуара.
Для действующих систем оборотного водоснабжения, для которых
не представляется возможным выполнить указанные мероприятия
по реконструкции резервуаров градирен в полном объеме, следует
сделать хотя бы ограждающий колодец и упрощенные приспособле-
ния для отвода осадка. Для вновь проектируемых систем, в кото-
рых можно ожидать интенсивного образования осадка в резер-
вуарах градирен, может быть рекомендовано применение гради-
рен с резервуаром-отстойником1 (рис. 4.3).
Предлагаемая градирня состоит из корпуса с цилиндрической
частью 2, конфузором 3 и диффузором 5 и резервуара 16 с днищем,
имеющим уклон к сборному желобу 14, оборудованному шламоот-
водной трубой 12. Нагретая вода подается по трубопроводу 1 к во-
дораспределительному устройству 6, которое разбрызгивает ее на
мелкие капли. После этого вода попадает на ороситель, предназна-
ченный для увеличения поверхности контакта ее с воздухом, пода-
ваемым вентилятором 4 в противоточном направлении. Стекающая
с оросителя вода падает в резервуар градирни. Продолжительность
1 А. с. № 567078 (СССР). Резервуар градирни./Д. И. Кучеренко,
В. С. Пономаренко, В. А. Гладков и др.—Заявл. 24.04.75, № 2127637/06;
Опубл, в Б. И. 1977, № 28.
— 80 -
// -11
Рис. 4.3. Градирня с резервуаром-отстойником
— 81 —
пребывания воды в резервуаре составляет 40—60 мин, скорость дви-
жения воды 1—2 мм/с. В резервуаре вследствие малых скоростей
и значительного времени пребывания воды происходит осаждение
основной части взвешенных веществ, попадающих в оборотную воду
при контакте ее с воздухом в градирне, а также взвешенных веществ,
вносимых в систему с добавочной водой и продуцируемых самой си-
стемой.
Дополнительное осаждение взвешенных веществ происходит на
наклонных полках 9, с которых осадок сползает под действием силы
тяжести и падает на дно резервуара. Удаление осадка со дна резер-
вуара производится периодически во время работы градирни с по-
мощью скребкового механизма, который работает следующим обра-
зом. Кольцо 7, приводимое во вращение двигателем 8, сообщает
через крепежные растяжки 10 вращательное движение ферме И
с прикрепленными к ней скребками 15, обеспечивающими радиаль-
ное перемещение осадка к кольцевому желобу 14, и скребками 13,
перемешивающими и поддерживающими во взвешенном состоянии
осадок в кольцевом желобе 14. Из кольцевого сборного желоба 14
осадок вместе с частью воды выводится через трубу 12.
Эта градирня по сравнению с существующими имеет то преиму-
щество, что дает возможность удалять из резервуара осадок любой
консистенции в процессе работы градирни, без остановки ее и обслу-
живаемого ею технологического оборудования. Кроме того, ее
конструктивные особенности обеспечивают гораздо более полное
выделение примесей из воды, что практически исключает попадание
загрязнений в охлаждаемое оборудование и тем самым повышает
его производительность. Экономический эффект от применения та-
кой градирни только на одном предприятии с расходом оборот-
ной воды 3 млн. м3/сут ориентировочно составит 500 тыс. руб/год
за счет непрерывности процесса производства, улучшения условий
работы теплообменного оборудования (а следовательно, увеличения
выпуска продукции и улучшения ее качества) и за счет уменьшения
эксплуатационных затрат.
Разработаны также конструкции резервуаров, совмещенных с
полочным отстойником для секционных градирен, имеющих прямо-
угольную форму в плане1.
Глава 5. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБРАСТАНИЯ
В СИСТЕМАХ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
В обрастаниях следует различать две группы организмов: пер-
вая — организмы, которые в новых условиях обитания способны
существовать и заселять новые пространства; вторая — прочие
организмы, которые не могут существовать в новой обстановке
и обречены на вымирание (аллохтонные организмы). При выясне-
1 См. сноску на стр. 80.
— 82 —
нии характера загрязнений элементов водоснабжения необходимо
четко различать эти две группы организмов. Устранение аллох-
тонного населения из воды не представляет значительных затруд-
нений (например, путем отстаивания и фильтрования воды). Борь-
ба же с биологическими обрастаниями гораздо сложнее, а наноси-
мый ими ущерб значительно больше причиняемого пассивно попа-
дающими в трубы организмами.
В составе биообрастаний встречаются самые разнообразные бак-
терии, принадлежащие к различным систематическим группам.
Первыми появляются так называемые зооглейные бактерии, об-
разующие более или менее крупные студенистые скопления из кле-
ток, одетых слизистой капсулой. Бактериальные зооглеи могут
создаваться различными бактериями, имеющими форму шариков
(кокков) и коротких или длинных палочек. Ослизнение оболочки
и способность образовывать зооглейные скопления может прояв-
ляться у многих бактерий и в значительной мере зависит от условий
обитания (например, при обильных источниках углеродного питания,
соответствующей реакции среды, температуре и т. д.). Однако среди
бактерий есть и такие, которые являются постоянными слизеоб-
разователями и встречаются всегда в виде зооглей, например аэроб-
ный фиксатор азота, почвенный микроб азотобактер, лейконосток
(Leuconostoc). Из числа этих зооглей следует в первую очередь
упомянуть ветвистую зооглею (Zooglea ramigera), являющуюся ти-
пичным показательным организмом полисапробной зоны, встречаю-
щимся и в условиях а-мезосапробной зоны1.
Обильные обрастания из зооглейных бактерий появляются в
основном в тех случаях, когда вода содержит много органических
загрязнителей. Весьма обычны в составе обрастаний нитчатые бак-
терии (Sphaerotilus).
Микроскопическое исследование показывает, что обрастания
состоят из палочковидных бактерий, соединенных в нити, которые
одеты довольно плотным слизистым чехлом. Толщина нитей от
1,5 до 2,5 мкм, причем в одном и том же кустике всречаются нити
различной толщины.
Имеется несколько видов нитчатых бактерий. В первую очередь
следует упомянуть наиболее распространенные: Sph. dichotomus,
Sph. natans, Sph. roseus и Sph. fluitans (последние два организма
имеют кирпично-розовую окраску).
В водопроводных трубах зачастую поселяются нитчатые железо-
бактерии, иногда значительно уменьшая их пропускную способность,
вплоть до полного закупоривания. Чаще всего в трубах встречает-
1 Сапробность — комплекс свойств организмов, обусловливающих их
развитие в воде, содержащей органические вещества на различных стадиях
минерализации. Полисапробная зона — область наиболее сильного загряз-
нения; олигосапробная зона — область завершенного процесса естественно-
го самоочищения; а- и Р-мезосапробные зоны характеризуют последователь-
ные стадии преобладания в водоемах окислительных процессов над восста-
новительными.
- 83 —
ся лептотрикс (в частности, Leptothrix orchaceae). Есть в трубах и
одноклеточные железобактерии, находящиеся в виде отдельных кле-
ток и слизистых зооглей, — разные виды сидерокапсы и сидеромо-
наса (Siderocapsa, Sideromonas). В водопроводах, питаемых из под-
земных водоисточников, весьма часто встречается галлионелла
(в частности, Gallionella ferruginea Ehrb).
При достаточно сильном загрязнении воды органическими ве-
ществами возможно развитие обильных обрастаний, образованных
разного рода водными грибками, как низшими, с нечленистой гриб-
ницей (мицелием), так и высшими, с мицелием многоклеточным.
Причиной зарастания труб иногда бывает присутствие в воде
жгутиковых. В теплообменных аппаратах завода синтетического
каучука находили довольно значительные массы колониальной ин-
фузории кархезиума (Carchesium Polipinum). Мшанки — весьма
обычные обитатели водоводов. Отрывающиеся обрастания из мшан-
ки засоряют теплообменные аппараты и нарушают их работу. В со-
лоноватых водах нередки обрастания из гидроидного полипа кор-
дилофоры (Cordylophora caspia, Cordylophora lacustris). Обрастания
из кордилофоры наблюдаются на крышках и трубных досках кон-
денсаторов. Нередко обитателем водопроводов является дрейссе-
на (Dreissena polymorpha Pall). Раковина дрейссены обычно бы-
вает прикреплена к омываемым водой предметам.
В водоводах электростанций, использующих морскую воду, до-
вольно обычными обитателями являются мидии (Mytilus edulis L.).
На некоторых электростанциях биомасса обрастаний за три лет-
них месяца достигает 3—4 кг на 1 м2 и составляет за год 8—10 кг
на 1 м2.
Среди обрастаний нередко появляется значительное количество
червей, относящихся к различным систематическим группам. Чаще
других встречаются нематоды и олигохеты, а также личинки на-
секомых.
Быстрее всего развиваются обрастания из нитчатых бактерий,
медленнее нарастают грибки.
В трубках конденсаторов паровых турбин при пользовании во-
дой из практически чистых водоемов продуктивность обрастаний
составляет 0,03—0,6'г/м2 за 100 ч. Обрастания никогда не состоят
из какого-нибудь одного организма. Обычно наблюдается некоторый
компле кс — биоценоз.
Обрастания как биоценоз возникают, развиваются, стабилизи-
руются в некоторых постоянных условиях и переформировываются
в периоды изменения этих условий (таковы, например, сезонные
изменения). При использовании водоемов, характеризующихся по-
лисапробными и а-мезосапробными условиями, трубки конденсаторов
паровых турбин электростанций и промышленных теплообменных
аппаратов уже через 10 ч работы могут быть обильно заселены зоо-
глеями бактерий, через 35 ч обычно в значительном количестве об-
наруживаются обильные слизистые налеты, вынуждающие очищать
аппарат от обрастаний. Но и в практически чистых водоемах, харак-
— 84 —
теризующихся олигосапробными p-мезосапробными условиями (во-
дохранилища, озера и пруды), также образуются обрастания, хотя
и значительно менее обильные; иногда они представлены лишь тон-
ким слизистым налетом, который, однако, способен ухудшать ус-
ловия теплопередачи.
1. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИИ внешней среды
НА БИООБРАСТАНИЕ теплообменных аппаратов
И ТРУБОПРОВОДОВ
Возможность и интенсивность развития обрастаний в значитель-
ной мере определяются условиями внешней среды—физическими
свойствами воды и ее химическим составом.
Температура. Скорость биохимических процессов, так же как
и химических реакций, возрастает с повышением температуры.
При этом температурный коэффициент (отношение скоростей реак-
ции при высокой и низкой температурах) для перепада в 10° равняет-
ся численно 2—3.
Микроорганизмы по их отношению к температуре обычно делят
на три группы: психрофильные организмы с оптимумом около 10° С,
мезофильные с оптимумом 20—35° С и термофильные с оптимумом
выше 45° С.
К психрофильным микроорганизмам обрастаний можно отнести
железобактерии. К группе мезофильных относится подавляющее
большинство организмов биологических обрастаний, и в частности
зооглейные бактерии. Зооглейные бактерии хорошо развиваются в
чистых культурах при 17—25° С. При повышенной температуре (до
37° С) зооглейные бактерии замещаются в обрастаниях кладотрик-
сом, имеющим более высокий оптимум.
Сезонные изменения. Изменениями температуры в значительной
мере (но не исключительно) определяются различия качественного
состава и продуктивности образования биологических обрастаний
в различные времена года. В периоды пониженной температуры в
загрязненных водах преобладают наиболее аэрофильные организмы
(нитчатые бактерии и водные грибки).
Количественно в холодное время года продуктивность обраста-
ний в теплообменных аппаратах бывает выше, чем летом. Уменьше-
ние прироста обрастаний летом можно объяснить более интенсив-
ным естественным самоочищением воды в водоемах.
Свет. Попадающие в водоводы и теплообменные аппараты ор-
ганизмы находятся там в условиях полного отсутствия света. Бак-
териальные компоненты обрастаний одинаково хорошо развиваются
и в темноте, и при дневном освещении. Не зависит от условий осве-
щенности, по-видимому, также и жизнь моллюсков, губок, мша-
нок, ракообразных. Высшие и низшие водные растения, а также
большинство микроскопических планктонных водорослей при от-
сутствии света в трубах более или менее быстро отмирают.
- 85 —
Скорость движения воды. При малых скоростях протока неко-
торые теплообменные аппараты интенсивно забиваются взвешенными
веществами из воды. Особенно обильны эти отложения в таких ап-
паратах, где охлаждающая вода проходит по межтрубному про-
странству. В составе отложений встречаются кремневые водоросли,
некоторые одноклеточные зеленые водоросли и организмы, вызы-
вающие цветение воды. В результате вторичных процессов (разло-
жение органических веществ, коррозия металла) здесь зачастую
присутствуют серные бактерии и железобактерии.
Если при малых скоростях протока воды наблюдается отложение
взвешенных частиц в трубах, то при высоких скоростях они очи-
щают трубы от обрастаний. Наблюдениями установлено, что в пе-
риод весенних паводков трубки конденсаторов не зарастают микро-
организмами и количество чисток аппаратов в это время сильно со-
кращается.
Химический состав воды. Химический состав воды в значитель-
ной мере определяет возможность и интенсивность развития био-
логических обрастаний. Бактериальные обрастания обычно вызы-
ваются сапрофитными бактериями, использующими в качестве источ-
ников углеродного и азотистого питания более или менее сложные
органические соединения. Ниже будут рассмотрены лишь эти два
биогенных элемента (углерод и азот). Сера и фосфор в природных
и особенно в загрязненных промышленными стоками водах обычно
содержатся в достаточном количестве.
Сточные воды. Практикуемое во все более широких масштабах
использование производственных и бытовых сточных вод в систе-
мах оборотного водоснабжения оказывает в каждом конкретном
случае специфическое влияние как на интенсивность развития био-
логических обрастаний в этих системах, так и на выбор методов
и средств борьбы с ними.
Из практики известны случаи, когда при использовании в си-
стемах оборотного водоснабжения сточных вод, содержащих ор-
ганические вещества, или при утечках таких веществ в оборотную
воду через неплотности теплообменной аппаратуры в упомянутых
системах наблюдалось настолько интенсивное развитие биологи-
ческих обрастаний, что его не удавалось подавить даже при самых
форсированных режимах хлорирования, какие только можно было
допустить, не подвергая систему опасности значительной интен-
сификации коррозии теплообменного оборудования и трубопро-
водов. Однако известны и случаи, представляющие собой другую
крайность, когда использование в системах оборотного водоснаб-
жения производственных сточных вод, содержащих токсичные ком-
поненты, приводило к полному подавлению биологических обраста-
ний даже без какой-либо специальной обработки воды.
Интересен пример одного из химических комбинатов. При ис-
пользовании волжской воды в качестве добавочной в системе обо-
ротного водоснабжения и при наличии утечек в оборотную воду ор-
ганических соединений (в частности, спиотов) в теплообменной
— 86 —
аппаратуре этих систем наблюдалось чрезвычайно интенсивное
развитие биологических обрастаний, которое не удавалось подавить
даже шестикратным ежесуточным хлорированием оборотной воды
дозами хлора, достигающими 10 мг л. При использовании сточных
вод этого предприятия в качестве добавочных, как показали опыты
на крупномасштабных моделях, биологических обрастаний в тепло-
обменных аппаратах и в других элементах системы совершенно не
наблюдалось. Этот пример, как и аналогичные другие, приводит к
мысли о целесообразности использования сточных вод в системах
оборотного водоснабжения.
Необходимо отметить, однако, что применение сточных вод в ка-
честве добавочных в системы оборотного водоснабжения в каждом
конкретном случае должно быть согласовано с санитарными органа-
ми, поскольку сброс воды из систем и вынос их из градирен могут
оказать отрицательное влияние на окружающую среду.
Углеродное питание. Источниками углеродного питания орга-
низмов служат растворенные в воде продукты разложения водных
организмов и водной растительности, стоки бытовых и производ-
ственных вод и т. п. В качестве источников углерода микробами
могут быть использованы весьма разнообразные органические со-
единения жирного и ароматического рядов, принадлежащие к са-
мым разнообразным классам (спирты, альдегиды, кетоны, кисло-
ты и т. п.).
Наилучшим источником углерода для нитчатых и зооглейных
бактерий являются углеводы (моно- и дисахариды). Сфаеротилус,
в частности, может использовать в качестве источника углерода
и такие вещества, как этиловый спирт, глицерин, декстрин, раство-
римый крахмал, в меньшей мере—соли уксусной и лимонной кис-
лот.
Азотистое питание. Хотя содержание азота в организмах значи-
тельно ниже содержания углерода, азот относится к наиболее не-
обходимым элементам для живых существ, так как он входит в со-
став таких важных клеточных образований, как протоплазма и
ядерное вещество. Источниками азотистого питания микроорганиз-
мов могут служить весьма различные вещества—от элементарного
азота до таких сложных соединений, как белки.
В водоемы сложные азотистые соединения попадают преиму-
щественно со сточными водами населенных пунктов и предприятий,
перерабатывающих сельскохозяйственное сырье (кожевенные, кон-
сервные заводы, мясокомбинаты и т. п.).
Распад сложных органических соединений вызывается многочис-
ленными гнилостными бактериями, заселяющими воду. В связи
с этим могут образовываться обильные налеты из простейших ор-
ганизмов— пожирателей бактерий (сувойки, кархезиум и др.). На-
личие в воде сложных азотистых соединений характерно для поли-
сапробных условий в водоемах и сопровождается обильным размно-
жением зооглейных бактерий. Большинство же представителей
микообиального пеоифитона (самые продуктивные из них сфаероти-
— 87 —
лус кладотрикс и многие водные грибы) вполне удовлетворяются
и такими формами азотного питания, как азот нитратов.
При обилии органических веществ в воде продуктивность обра-
зования обрастаний достигает подчас очень большой величины.
В подобных условиях на электростанциях приходится очищать
трубки конденсаторов 1 раз в 2—3 дня.
Степень насыщения воды кислородом. Организмы, составля-
ющие обрастания, в основном являются существами аэробными.
Интенсивность развития бактериальных обрастаний находится в
прямой зависимости от содержания в воде растворенного кислорода.
2. ВЛИЯНИЕ ОБРАСТАНИИ НА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВОДЫ
Изменение химического состава воды в результате жизнедея-
тельности населяющих ее организмов и^водорослей в основном
связано с процессами их питания (извлечения веществ, исполь-
зуемых на построение и увеличение биомассы организмов) и с про-
цессами диссимиляции (дыхание и разного рода биохимические ре-
акции брожений).
Организмы обрастаний являются в большинстве своем аэроб-
ными. Они извлекают из воды кислород, насыщение которым в
системах оборотного водоснабжения достигает 100%, и обогащают
ее углекислотой, что проявляется, в частности, в снижении pH.
I Железо, содержащееся в воде, транспортируемой по трубам,
может быть внесено с природными водами или в результате процессов
коррозии. В том и другом случае железо может извлекаться из воды
и осаждаться внутри труб.
Процесс этот обычно начинается с появления небольших ржа-
вых точек, сливающихся затем в полосы и крупные пятна. В даль-
нейшем отложения увеличиваются, образуя бугорки. В некоторых
случаях это завершается полной закупоркой трубы. Химические ана-
лизы железистых отложений в трубах показывают, что плотные бу-
гристые отложения содержат 60—75% железа. В образовании этих
отложений обычно бывают повинны железобактерии.
Таким образом, роль железобактерий сводится к выделению из
воды и осаждению на стенках труб железа, как поступившего из
источника водоснабжения, так и перешедшего в раствор из мате-
риала труб.
В водах, сильно загрязненных безазотистыми органическими ве-
ществами, интенсивно развивается кладотрикс, довольно энергич-
но извлекающий железо.
Отложение карбонатов на стенках труб чаще всего наблюдается
в теплообменных аппаратах вследствие нарушения карбонатного
равновесия, вызванного температурными условиями. Однако каль-
ций может выделяться из воды и вследствие биохимических про-
цессов в трубах. Это явление—биогенное образование карбоната
кальция — еще мало изучено, но, по-видимому, весьма распростра-
нено в природе [36]. По Б. А. Исаченко, сначала наблюдается появ-
— 88 -
ление аморфного карбоната, потом коллоида — кальцита, а затем на-
ступает его кристаллизация; внутри кристаллов обнаруживаются
бактерии.
Подобным же образом протекает этот процесс и в результате
жизнедеятельности моллюсков, балянусов и других организмов,
строящих известковые раковины.
Почти в одной трети общего числа открытых систем оборот-
ного водоснабжения встречаются сульфатредуцирующие^бактерии.
Они могут размножаться только в анаэробных условиях, которые
в системах оборотного водоснабжения наблюдаются под слоем от-
ложений или обрастаний, состоящих из шламообразующих бак-
терий, в резервуарах градирен или в трубках теплообменных ап-
паратов и в трубопроводах. В аэробных условиях сульфатреду-
цирующие бактерии не погибают, они лишь теряют способность
размножаться и обретают ее снова, как только попадают в ана-
эробную среду.
Сульфатредуцирующие бактерии могут существовать при темпе-
ратуре 25—60° С, однако, по некоторым литературным данным, они
не погибают и при температуре 80° С. Оптимальная величина pH
для развития и жизнедеятельности сульфатредуцирующих бакте-
рий— 7,5; существовать они могут в диапазоне pH от 5 до 9.
Существенное значение для жизнедеятельности сульфатредуци-
рующих бактерий большинства видов имеет наличие в воде угле-
рода, водорода, сульфатов, фосфатов, железа и азота аммиака.
Трубки теплообменных аппаратов из различных материалов не-
одинаково подвержены обрастанию. Свежая чистая поверхность
меди и ее сплавов (латуни) достаточно хорошо сопротивляется
обрастанию микроорганизмами, что объясняется токсическими свой-
ствами этого металла, но в итоге обрастает микроорганизмами.
Нержавеющая сталь обрастает гораздо менее интенсивно, чем
сталь 3.
Микроорганизмы, развивающиеся в теплообменных аппаратах
и трубопроводах систем оборотного водоснабжения, наносят боль-
шой ущерб промышленным предприятиям и тепловым электростан-
циям, поскольку они приводят к резкому ухудшению теплопередачи
и связанному с этим снижению производительности технологических
установок, ухудшению качества продукта, перерасходу сырья и элек-
троэнергии. Кроме того, некоторые виды бактерий, такие как суль-
фатредуцирующие и железобактерии, могут вызывать коррозию
теплообменного оборудования и трубопроводов.
3. МЕТОДЫ БОРЬБЫ С БИОЛОГИЧЕСКИМИ ОБРАСТАНИЯМИ
ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ И ТРУБОПРОВОДОВ
Ущерб, наносимый промышленным предприятиям биологиче-
скими обрастаниями систем оборотного водоснабжения, настолько
велик, что требует разработки и внедрения в практику радикаль-
ных мер борьбы с этим явлением. Для борьбы с обрастаниями не-
обходимы прежде всего предупредительные мероприятия [81
— 89 —
Связь развития обрастаний с санитарным состоянием водоисточ-
ников и химическим составом воды в них показывает, что первооче-
редной задачей является охрана этих водоисточников от загряз-
нения. В области питьевого водоснабжения эту задачу решают так
называемые санитарные охранные зоны водопроводов. Применитель-
но к промышленному водоснабжению предложено организовать
там, где это необходимо, «технические охранные зоны». В задачи
технических охранных зон должны входить организация охраны
источника технического водоснабжения от попадания в него биоген-
ных элементов, органических веществ, а иногда тех и других вме-
сте; планомерное распределение вновь строящихся промышленных
предприятий; надзор за очисткой сточных вод; контроль за качест-
вом воды водоема и т. п.
Упомянутые технические охранные зоны могут быть одной из
организационных форм защиты водоемов от загрязнений и поддер-
жания их в надлежащем санитарном состоянии.
Значительное внимание должно быть уделено профилактической
охране водоема от загрязнений на самом промышленном предприя-
тии. К этому относится исключение сброса неочищенных сточных
вод в источник водоснабжения и охрана прибрежной территории
от загрязнений в целях защиты водоемов и подземных вод. Отри-
цательно влияют на водоемы и дымовые выбросы. В этих случаях
увеличиваются донные отложения в водоемах и существенно изме-
няется химический состав воды, вследствие чего усиливается раз-
витие прибрежной водной растительности и планктона, которые
могут создавать большие помехи сами по себе и способствовать по-
явлению обрастания.
Предупредительные меры против образования обрастаний долж-
ны предусматриваться при проектировании и изготовлении про-
изводственных теплообменных аппаратов. Если аппараты предназна-
чаются для операций с легколетучими и газообразными органи-
ческими соединениями, особое внимание должно быть обращено на
полное устранение возможности попадания этих соединений в ох-
лаждающую воду. Подбор некорродирующих материалов обеспечи-
вает сохранность аппаратуры и отвечает задаче устранения обра-
станий.
ХЛОРИРОВАНИЕ ВОДЫ
Наиболее распространенным методом борьбы с биологически-
ми обрастаниями теплообменных аппаратов является хлорирование
воды. Этот прием в отличие от хлорирования, применяемого в пить-
евом водоснабжении в целях обеззараживания воды, заключается
не столько в воздействии на воду, сколько в обработке омываемых
водой поверхностей. Вследствие этого подача хлора проводится не
непрерывно, а периодически. Требуемые дозы хлора устанавли-
ваются с учетом хлоропоглощаемости воды и должны обеспечить
наличие остаточного хлора (0,5 1 мг л) на выходе из наиболее
удаленных теплообменных аппаратов.
— 90 —
Хлорирование охлаждающей воды следует начинать после пред-
варительной тщательной очистки аппаратов от загрязнений. Ре-
жимы хлорирования (периоды подачи хлорированной воды и интер-
валы между ними) могут быть весьма разнообразными.
Интервалы между периодами подач хлора подбираются такими,
за время которых может быть очень незначительное оседание и при-
крепление биообрастаний. В период подачи хлора они будут убиты,
слизистые налеты распадутся и смоются током воды, а поверхность
металла окажется освеженной. При очистке аппаратов, снабжаемых
водой из водоемов, содержащих планктонные организмы, которые по
мере прилипания к стенкам трубок и отмирания являются субстра-
том для бактерий, периоды подач хлора увеличиваются с одновре-
менным удлинением интервалов между ними до суток и более.
Сложнее борьба с обрастаниями крупными организмами (мшан-
ками, губками, ракообразными и моллюсками). Для устранения
взрослых форм организмов, которые могут укрываться в гермети-
чески закрывающихся раковинах (балянусы, моллюски), дозы хло-
ра должны быть увеличены, а периоды хлорирования продлены.
С другой стороны, учитывая сезонность размножения и развития
таких организмов, обработку воды в некоторые периоды можно
значительно сократить или даже прекратить.
Для борьбы с подвижными плавающими личинками этих орга-
низмов можно применять обычные дозы хлора, например такие,
какие приняты для дезинфекции питьевой воды. Рациональные ре-
жимы хлорирования в этих случаях устанавливаются в зависимости
от биологии и физиологии соответствующих организмов.
Эффективность хлорирования как метода борьбы с биообраста-
ниями в значительной мере определяется толщиной слоя этих об-
растаний на поверхностях теплообмена, поскольку бактерицидные
реагенты проникают через слой биообрастаний путем диффузии.
Для того чтобы в нижние слои биообрастаний, расположенные не-
посредственно у поверхностей теплообмена, проникло достаточное
количество бактерицидов, в частности хлора, концентрация его в
оборотной воде должна быть достаточно большой, что невыгодно по
экономическим соображениям и небезопасно из-за интенсификации
коррозии трубопроводов и теплообменного оборудования. Поэтому
следует повышать скорость диффузии биоцидов путем добавок со-
ответствующих поверхностно-активных веществ. Целесообразны
также добавки диспергаторов, которые могут способствовать раз-
рушению и выносу слоя биообрастаний. При толщине слоя биообра-
станий, достигающей нескольких миллиметров, приходится при-
менять механическую очистку теплообменных аппаратов.
Для борьбы с биообрастаниями в системе оборотного водоснаб-
жения хлор следует вводить непосредственно в оборотную воду;
применяемые иногда в практике схемы введения хлора в добавоч-
ную воду следует считать неправильными по следующим соображе-
ниям. Добавление воды в систему составляет обычно 2—4% расхода
оборотной воды, и для того, чтобы в оборотной воде получить кон-
— 91 —
центрацию хлора 2—3 мг/л, в добавочную воду потребуется вводить
75—100 мг хлора на 1 л, что чревато опасностью появления чрез-
вычайно интенсивной коррозии в трубопроводе добавочной воды.
Если к тому же место введения хлора в добавочную воду удалено от
системы оборотного водоснабжения на достаточно большое расстоя-
ние (как это было на одном из заводов), то значительная часть хлора
расходуется на стерилизацию добавочной воды и, следовательно, не
используется для борьбы с биообрастаниями в системе оборотного
водоснабжения.
Хлор следует вводить в резервуар градирни под уровень охлаж-
денной воды или во всасывающий трубопровод насосов, подающих
воду к технологическому оборудованию В последнем случае хлор-
ную воду следует вводить трубкой из коррозиеустойчивого мате-
риала в середину трубопровода во избежание его коррозии.
Существует два основных метода хлорирования оборотной воды:
централизованное, когда хлор вводится в систему в одном месте,
и децентрализованное, при котором хлор подается в систему во мно-
гих местах — перед отдельными группами теплообменных аппара-
тов. В отечественной практике применяется почти исключительно
централизованное хлорирование, тогда как за рубежом, и в част-
ности в США, находит применение также и метод децентрализован-
ного введения хлора в системы оборотного водоснабжения.
При децентрализованном хлорировании почти весь хлор расхо-
дуется на уничтожение биологических обрастаний в теплообменни-
ках, а потери хлора на стерилизацию воды очень малы, так как про-
должительность контакта оборотной воды с хлором перед теплооб-
менниками при данном методе хлорирования сокращается до мини-
мума. Это позволяет сэкономить большое количество хлора по срав-
нению с методом централизованного хлорирования, уменьшить
производительность хлораторов, объем складов и т. п.
Хлорирование непосредственно у теплообменных аппаратов свя-
зано, однако, с необходимостью строительства многих хлораторных
или сооружения дорогостоящих коммуникаций хлорной воды и со-
пряжено с неудобствами контроля процесса хлорирования во многих
точках. По американским данным, дополнительные капитальные и
эксплуатационные затраты при этой схеме хлорирования окупаются
при хлоропоглощаемости воды, большей 8 мг/л. При меньшей хло-
ропоглощаемости более экономичным будет централизованное хло-
рирование всей системы.
Кроме жидкого хлора для подавления биообрастаний в системах
оборотного водоснабжения находят применение также некоторые
хлорсодержащие реагенты — хлорная известь и гипохлорит каль-
ция. Эти реагенты добавляют в воду в виде 1—2%-ных растворов.
Перед подачей в систему эти растворы, имеющие pH =9-? 10, це-
лесообразно нейтрализовать кислотой во избежание образования
карбонатных отложений в системе оборотного водоснабжения, обус-
ловленного вводом в оборотную воду щелочного реагента.
— 92 —
Другие хлорсодержащие соединения (гипохлорит натрия и дву-
окись хлора), а также бактерицидные реагенты (йод, озон, соли
тяжелых металлов), используемые для обеззараживания воды,
в практике обработки оборотной воды для подавления биологических
обрастаний применения в настоящее время не находят.
Химизм хлорирования. При введении в воду хлор гидроли-
зуется, образуя хлорноватистую и соляную кислоты:
С12 + Н2О НОС1 Д- НС1. (5.1)
В кислой среде равновесие этой реакции сдвинуто влево, и в
воде присутствует атомарный хлор. При значениях pH > 4 атомар-
ный хлор в воде практически отсутствует.
Константа гидролиза хлора в воде при температуре 25° С равна:
1Н0С1] [Н+] [СП] / [C1.J =4,05 • КН4. (5.2)
Образовавшаяся в результате гидролиза хлора хлорноватистая
кислота диссоциирует на гипохлоритный ион СО- и ион водорода Н+.
Соотношение между недиссоциированной хлорноватистой кисло-
той НОС1 и гипохлоритным ионом СО- в воде при различных pH,
рассчитанное по приведенным выше константам диссоциации, пред-
ставлено на рис. 5.1.
Исследования показали, что бактерицидность хлора в воде
снижается с повышением pH воды (рис. 5.2). Время, необходимое
для снижения количества живых бактерий коли в воде на 99% при
дозе свободного хлора 0,1 мг/л, возрастает с 6 до 180 мин при изме-
нении pH воды с 6 до 11, т. е. в 30 раз. Если сопоставить (рис. 5.3)
количество убитых в заданное время бактерий при неизменной дозе
хлора, но при различном pH воды с изменением количества недис-
социированной хлорноватистой кислоты, то можно отметить очень
хорошую корреляцию между этими величинами. Следовательно, не-
диссоциированная хлорноватистая кислота является главным бак-
терицидным соединением хлора в воде при pH, обычном в практике
водообработки. Поэтому обрабатывать воду хлором желательно
при возможно более низких значениях pH.
Гипохлориты кальция или натрия, а также хлорная известь об-
разуют в воде хлорноватистую кислоту и гипохлоритный ион в со-
отношениях, определяемых pH воды:
Са (ОС1)2 Са2+ + 2 ОСН; (5.3)
2ОС1- + 2Н+ 2НОС1. (5.4)
При наличии в воде аммиака, аммонийных солей или органи-
ческих веществ, содержащих аминогруппы, хлор, хлорноватистая
кислота и гипохлориты вступают с ними в реакцию, образуя моно-
и дихлорамины, а также треххлористый азот:
НОС1 + NH3 -> NH2C1 + Н2О; (5.5)
НОС1 + NH2C1 -> NHC12 + Н2О; (5.6)
НОС1 4- NHC12 -> NC13 + Н,О. 15.7)
— 93 —
Рис. 5.1. Изменение концентрации НОС1 и
ОСН в воде в зависимости от pH воды
Рис. 5.2. Зависимость бактерицидное™
свободного хлора от pH воды
Рис. 5.4. Изменение хлоропоглощаемости
воды в зависимости от дозы хлора при от-
сутствии аммонийных солей
д __ доза хлора; Сост — концентрация
остаточного хлора
Рис. 5.3. Изменение форм хлора и его бак-
терицидное™ в зависимости от pH воды
1 — содержание недиссоциированной НОС1,
%; 2 — количество убитых бактерий коли
за 30 мии, %
Рис. 5.5. Изменение хлоропоглощаемости
воды в зависимости от дозы хлора при на-
личии аммонийных солей
1 — моно- и дихлорамины; Б - свободный
хлор
- 94
Хлор, связанный в хлорамины, называется связанным хлором.
Сумма свободного хлора Cl2, НОС1, ОС1- и связанного в хлорами-
ны хлора называется активным хлором.
При отсутствии в хлорируемой воде аммиака, аммонийных со-
лей или аминов, хлоропоглощаемость воды изображается кривой,
показанной на рис. 5.4; при наличии в воде (либо при введении вме-
сте с хлором) аммиака, аммонийных солей или аминов — кривой,
представленной на рис. 5.5. При молярном отношении С12 : NHJ <
< 1,1 будут образовываться моно- и дихлорамины, соотношение
между концентрациями которых будет определяться pH воды. Весь
остаточный хлор в течение 30 мин окажется связанным в хлорами-
ны (участок кривой до точки Л). Дальнейшее увеличение дозы хлора
приведет к тому, что молярное отношение введенного в воду хлора
к содержащемуся в воде иону NHJ окажется больше единицы. При
этом начнется окисление моно- и дихлораминов хлорноватистой
кислотой, образовавшейся в результате гидролиза хлора:
NH2C1 + NHC12 + НОС1 -> N2O + 4 HC1; (5.8)
NHC12 + HOC1 -> NC13 + H2O; (5.9)
NHC12 + H2O -> NH (OH) Cl + HC1; (5.10)
NH (OH) Cl + 2 HOC1 -> HNO3 + 3HC1. (5.11)
Содержание в воде остаточного связанного в хлорамины хлора
начнет снижаться по мере увеличения количества введенного в воду
хлора, окисляющего все большую часть находящихся в воде хлор-
аминов. При доведении молярного отношения введенного в воду
хлора к содержащимся в ней аммонийным солям до 2 (10 мг С12
на 1 мг N в виде NHJ) все хлорамины оказываются окисленными,
содержание остаточного хлора в воде снижается почти до нуля (точ-
ка Б называется точкой перелома).
Дальнейшее увеличение дозы хлора приведет к повышению кон-
центрации остаточного хлора, причем уже весь остаточный хлор
будет высокобактерицидным свободным хлором.
Аппаратурное оформление процесса хлорирования. Хлор вво-
дят в воду в виде газа или хлорной воды, получаемой растворением
в воде хлоргаза. Для дозирования и очистки хлора служат аппараты,
называемые хлораторами.
На стационарных установках применяют хлораторы непрерыв-
ного действия: а) хлораторы постоянного расхода, сохраняющие
постоянное количество подаваемого в воду хлоргаза, установленное
степенью открытия регулирующего вентиля; б) хлораторы пропор-
ционального расхода, автоматически изменяющие количество по-
даваемого хлоргаза пропорционально расходу воды или поддер-
живающие заданную концентрацию остаточного хлора в воде.
Оба типа хлораторов могут быть как напорными, в которых хлор-
газ находится под некоторым избыточным давлением, так и вакуум-
ными, в которых давление ниже атмосферного. Наибольшее распро-
странение получили вакуумные хлораторы, так как применение
- 95 —
Таблица 5.1
Марка хлоратора Производи- тельность по хлору, кг/ч Диаметр па- трубка, под- водящего во- ду к эжек- тору, мм Габаритные размеры, мм Масса, кг
высота ширина глуби- на
ЛОНИИ-100 с ротамет- 0,08—2,05 25 830 650 160 41
ром РС-3 ЛОНИИ-100 с ротамет- 1,28—2 50 830 650 160 41
ром РС-5 ЛК-Юм 0,04—0,8 50 630 230 160 12,5
ЛЕ-Юб 2 20 50 800 370 250 45
напорных хлораторов нежелательно из-за возможности поступле-
ния хлора в помещение хлораторной при неплотностях в соедине-
ниях хлоратора или трубопроводов.
Н Вакуумный хлоратор постоянного расхода имеет промежуточный
баллон, в который поступает хлоргаз из баллонов, бочек или испа-
рителей и в котором осаждаются капли жидкости, пыль и т. п. Из
этого^баллона через регулировочный вентиль хлоргаз поступает
в фильтр, где очищается от неосевшей ранее пыли. Очищенный
хлор проходит в редуктор, понижающий давление хлоргаза перед
измерителем расхода. Хлоргаз, пройдя через измеритель расхода,
поступает в предохранительный клапан, предупреждающий попа-
дание воды в газовую часть хлоратора, и далее в смеситель, где сме-
шивается с водой. Хлорная вода засасывается водоструйным эжек-
тором. Выходящая из эжектора хлорная вода по резиновому шлан-
гу или трубопроводу из хлоростойкого материала направляется к
месту ее введения в основной поток воды. Характеристики вакуум-
ных хлораторов приведены в табл. 5.1.
Поскольку на станцию поступает жидкий хлор, его нужно ис-
парить в баллонах, бочках или в испарителях для получения га-
зообразного хлора. Количество хлора, испаряющегося в баллонах
и бочках без подогрева, зависит от температуры воздуха в хло-
раторной. При температуре 15° С из одного баллона диаметром
219 мм можно получить 0,5—0,6 кг хлора в 1 ч. Процесс испарения
хлора в баллонах может быть ускорен их обогревом. Выход хлора из
одного обогреваемого горячей водой или воздухом баллона может
быть доведен до 3 кг/ч.
Выход хлора из необогреваемых бочек зависит от их объема и
площади испарения. Из точки объемом 550 л можно получить 10—
11'кг хлора в 1 ч при температуре 3° С и 25 кг хлора в 1 ч при тем-
пературе 15° С.
Обогрев баллонов или использование специальных испарителей
хлора применяют на станциях с круглосуточным расходом хлора
более 10 кг/ч и в хлораторных периодического действия.
Испаритель хлора баллонного типа состоит из баллона, двойного
вентиля и футляра для водяной рубашки. Производительность по
— 96 —
хлору такого испарителя 10 кг/ч
при подаче воды в его рубашку
6 м3/ч с температурой 8° С. Увели-
чивая количество подаваемой воды
или повышая ее температуру, мож-
но довести получение хлора из од-
ного баллонного испарителя до
12—14 кг/ч.
На станциях, потребляющих
более 20 кг хлора в 1 ч, выгоднее
вместо баллонных испарителей
Рис. 5.6. Устройство для дозирования
реагентов по методу вытеснения
применять трубчатые испарители
хлора, устроенные по принципу теплообменников «труба в трубе».
Для централизованного хлорирования обычно предусматри-
ваются хлораторные установки двух типов. Установки первого типа
включают хлораторы с соответствующим оборудованием и баки —
накопители хлорной воды. Получаемая в хлораторах хлорная вода
аккумулируется в баке-накопителе, а затем периодически подается
в систему оборотного водоснабжения.
Хлораторные второго типа не имеют баков-накопителей, хлора-
торы включаются периодически и подают хлорную воду непосред-
ственно в систему оборотного водоснабжения.
Преимуществом установок первого типа является то, что они
могут быть оборудованы хлораторами и испарителями хлора мень-
шей производительности, чем установки второго типа, при оди-
наковом расходе хлора, поскольку хлораторы в установках перво-
го типа могут работать непрерывно, подавая хлорную воду в бак-
накопитель, а в установках второго типа—периодически, только
в период подачи хлорной воды в систему. Преимуществом установок
второго типа является их компактность; они занимают меньше места,
поскольку не имеют бака-накопителя.
Децентрализованное хлорирование осуществляется обычно ло-
кальными хлораторными, расположенными вблизи обслуживаемого
ими теплообменного оборудования. При привязке таких хлоратор-
ных обычно возникают затруднения, обусловленные правилами
техники безопасности, предусматривающими расположение тары,
содержащей жидкий хлор, на определенных расстояниях от произ-
водственных помещений.
Избежать этих затруднений позволяет разработанное автором
данной главы устройство для введения жидких реагентов в трубо-
проводы, которое, в частности, может быть использовано и при де-
централизованном хлорировании для введения хлорной воды.
Устройство (рис. 5.6) состоит из герметичной емкости 1, соеди-
ненной с трубками 3 и 6, введенными в напорный трубопровод. Ем-
кость оборудована воздушником с вентилем 7, трубопроводом для
ввода реагента (в данном случае хлорной воды) с вентилем 8 и трубо-
проводом для опорожнения емкости с вентилем 2. Трубопроводы,
соединяющие емкость 1 с трубками 3 и 6, снабжены вентилями 4
4 Зак. 1536
— 97 —
и 5. Трубки 3 и б имеют косые срезы, один из которых установлен
навстречу потоку жидкости, другой — по направлению ее движения.
Устройство работает следующим образом. Емкость 1 заполняют
хлорной водой по трубопроводу с вентилем 8 при открытом венти-
ле 7 и закрытых вентилях 2, 4 и 5. По заполнении емкости 1 закры-
вают вентили 7 и 8 и открывают вентили 4 и 5, при этом под дейст-
вием скоростного напора жидкости в трубопроводе хлорная вода
постепенно вытесняется из емкости 1, а емкость заполняется водой
из трубопровода. После того как вся хлорная вода вытесняется из
емкости 1, закрывают вентили 4 и 5, открывают вентили 2 и 7 и опо-
рожняют емкость 1; последняя, таким образом,гснова подготовлена
для приема хлорной воды.
Достоинство данного устройства состоит в том,что оно может быть
установлено практически в любом месте. Установка этого устрой-
ства не связана с ограничениями по соображениям техники безопас-
ности, поскольку оно работает на хлорной воде, а не на жидком
хлоре.
обработка воды различными реагентами
В зарубежной практике для борьбы с биообрастаниями в систе-
мах оборотного водоснабжения находит применение ряд хими-
ческих реагентов. Рассмотрим вкратце некоторые из них.
Акролеин (СН2 = СН — СНО). Этот реагент применяется как
заменитель хлора на крупных системах оборотного водоснабжения.
В длительной эксплуатации его дозируют в концентрации 0,2—
I мг/л, применяется также «шоковая» обработка с концентрацией
3—5 мг/л при температуре 25—30° С.
Доза реагента в значительной мере зависит от температуры воды.
Так, при температуре 5° С требуется концентрация акролеина, в
20 раз большая, чем при температуре 50° С.
Спектр действия акролеина достаточно широк. Его эффектив-
ность не снижается при наличии ингибиторов коррозии и неболь-
ших количеств масел в охлаждающей воде. Акролеин в качестве
бактерицида применяется в сочетании с гидрохиноном, который
служит в данном случае ингибитором полимеризации.
Пример успешного применения акролеина в системе нефтепере-
рабатывающего завода описан в литературе [33]. В этой системе в
качестве бактерицида ранее применяли хлорфенол в концентрации
120 мг/л и хлорирование 3 раза в неделю с избыточной концентра-
цией хлора 0,5 мг/л. Акролеин в течение первой недели был введен
в концентрации 5 мг/л, что дало возможность подавить развитие
шламообразующих ' бактерий, сульфатредуцирующих бактерий и
нитчатых водорослей и обеспечить нормальную теплопередачу в
теплообменных аппаратах. В последующем доза акролеина была
снижена до 3,5 мг/л, а после того как жизнедеятельность бактерий
была подавлена полностью, дозу реагента сократили до 0,5 мг/л.
Соединения ртути. Эти соединения эффективны как средство борь-
бы со шламообразующими бактериями, но неэффективны в присут-
— 98 —
Ствии серосодержащих соединений. Применимость соединений ртути
в большинстве случаев ограничена их высокой токсичностью по от-
ношению к человеку и к рыбам.
Хлорфенолы. Хлорфенолы, особенно пятихлористый фенол, в
течение длительного времени применяются в качестве биоцидов.
При «шоковой» обработке оборотной воды пятихлористым феноля-
том натрия принимается его концентрация 60—80 мг/л с последую-
щим значительным снижением этой величины. Кроме того, приме-
няется целый ряд смесей полихлорфенолов с поверхностно-актив-
ными веществами, диспергаторами и с различными соединениями,
повышающими растворимость полихлорфенолов.
Органические азотсодержащие соединения. Ряд четвертич-
ных катионоактивных соединений аммония обладает сильными
бактерицидными свойствами. Такими свойствами обладают также
некоторые органические азотсодержащие соединения, например
алкиламины, алкиламинацетаты и азотсодержащие поверхностно-
активные вещества. Исследованы бактерицидные свойства 164 азот-
содержащих соединений [36]. Поверхностно-активные азотсодержа-
щие вещества обладают нешироким спектром действия. Если ор-
ганические азотсодержащие соединения обладают бактерицидным
и фунгицидным действием, то они, как правило, являются и альги-
цидами. Следует учесть, что поверхностно-активные четвертичные
соединения аммония склонны к ценообразованию и могут частично
сорбироваться деревянными конструктивными элементами гради-
рен.
Органические бромсодержащие соединения. В последние годы
предложен ряд органических бромсодержащих соединений, которые
особенно эффективны как средство борьбы со шламообразующими
бактериями.
БЕЗРЕАГЕНТНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ВОДЫ
Кроме хлорирования, как основного метода борьбы с биообра-
станиями теплообменных аппаратов и трубопроводов систем оборот-
ного водоснабжения, следует упомянуть и некоторые другие методы,
которые могут быть применимы с той же целью.
Периодическое повышение температуры воды. Сущность этого
метода состоит в том, что расход оборотной воды, подаваемой в теп-
лообменный аппарат, несколько сокращают при неизменном рас-
ходе охлаждаемого продукта. При этом температура оборотной воды
возрастает по сравнению с обычной, к которой адаптировались мик-
роорганизмы, развившиеся в теплообменнике.
При достаточно большом повышении температуры оборотной
воды над оптимумом температуры для данных видов микроорга-
низмов происходит отмирание последних. Для каждого вида орга-
низмов, развивающихся в системах оборотного водоснабжения,
характерны определенные «летальные параметры» — величины тем-
ператур и продолжительность их воздействия. Так, например, для
4:
— 99 —
различных видов дрейссены летальная температура находится й
диапазоне от 32 до 45° С. Продолжительность воздействия повышен-
ной температуры, необходимая для уменьшения числа тех или иных
организмов,кроме вида организма зависит также и от температуры.
Так, для умерщвления зародышей дрейссены при температурах
32, 35, 38 и 41° С продолжительность воздействия должна быть со-
ответственно 13, 7, 1 и 0,3 ч.
Что касается микроорганизмов, развивающихся в теплообмен-
ных аппаратах, то, по некоторым литературным данным, одного
только небольшого повышения температуры оборотной воды недо-
статочно для их умерщвления. Этот прием дает эффект в сочетании с
периодическим хлорированием, приводя к снижению необходимой
дозы хлора. Так, подогрев оборотной воды в течение 30 мин в не-
делю до 43э С дает возможность снизить необходимую концентра-
цию хлора с 0,25 до 0,1 мг/л. По нашим наблюдениям, достаточно
высокое повышение температуры оборотной воды (до 50° С и более)
само по себе, без хлорирования, может привести к отмиранию мик-
роорганизмов, развивающихся в теплообменных аппаратах.
Периодическое изменение солесодержания воды. Этот метод при-
меним главным образом к системам оборотного водоснабжения, ра-
ботающим на морской воде, и отчасти к системам, использующим в ка-
честве добавочных минерализованные подземные воды. Считается,
что снижение солесодержания на 70—80% приводит к подавлению
жизнедеятельности некоторых организмов, развивающихся в си-
стемах оборотного водоснабжения. Применение данного метода
для больших систем весьма затруднительно, если учесть, что объем
воды в них достигает нескольких тысяч кубических метров и для
снижения солесодержания такой массы воды на 70—80 % потребует-
ся большое количество дефицитной пресной воды.
Создание анаэробных условий. Сущность данного способа заклю-
чается в том, что в системы оборотного водоснабжения подаются
сточные воды с высоким биологическим и химическим потреблением
кислорода, вследствие чего концентрация кислорода в оборотной воде
резко снижается и в теплообменных аппаратах создаются анаэроб-
ные условия, которые и обусловливают подавление жизнедеятель-
ности аэробных микроорганизмов, развивающихся на поверхностях
теплообмена. Эффективность данного способа, однако, нельзя пере-
оценивать, поскольку анаэробные микроорганизмы, которые в этом
случае, наоборот, стимулируются, также вызывают немалые за-
труднения при эксплуатации систем оборотного водоснабжения.
Осуществление данного способа представляется достаточно слож-
ным, поскольку оборотная вода интенсивно аэрируется в градир-
нях и для обескислороживания ее в систему пришлось бы вводить
большое количество сточных вод, что может быть небезопасным с
точки зрения загрязнения окружающей среды—воздуха в районе
градирен и воды в водоеме, в который сбрасываются продувочные
воды.
— 100 —
Периодическое повышение скорости движения воды. Этот спо-
соб также может дать некоторый эффект. При повышении скорости
оборотной воды биологические обрастания срываются с поверх-
ностей трубок теплообменников и выносятся с потоком жидкости.
Для осуществления данного способа обычно используют резервные
мощности насосного оборудования.
Изменение pH воды. Такой метод борьбы с биообрастаниями
также возможен, поскольку микроорганизмы нормально развивают-
ся лишь при определенных оптимальных значениях pH и их жизне-
деятельность значительно подавляется при отклонении от оптимума
этого показателя. Следует отметить, однако, что для умерщвления
микроорганизмов требуется настолько большое снижение pH, что
это становится небезопасным в отношении коррозионного воздей-
ствия на теплообменные аппараты и трубопроводы. Именно это
положение и ограничивает применимость данного метода.
4. МЕТОДЫ БОРЬБЫ С ВОДОРОСЛЯМИ
В открытых системах оборотного водоснабжения наряду с опи-
санными выше микроорганизмами часто встречаются водоросли.
Они развиваются в местах, доступных свету, в основном в градирнях,
а также в погружных и оросительных теплообменных аппаратах, в
нефтеотделителях и т. п.
Водоросли могут быть разделены по окраске на четыре основные
группы: зеленые (Chlorophyceae), синие (Cyanophyceae), коричневые
(Phaeophyceae), красные (Rodophyceae).
Водоросли автотрофны. Энергию, необходимую для своей жизне-
деятельности, водоросли получают от солнечного света в процессе
фотосинтеза.
Различные виды водорослей могут развиваться только при опре-
деленных, необходимых для их жизнедеятельности условиях. Преж-
де всего необходимы неорганические питательные вещества в доста-
точном количестве и, если какого-либо из этих веществ недостаточ-
но, то оно и будет лимитировать развитие водорослей. Водоросли за-
частую являются пищей для бактерий, грибов и червей и способству-
ют развитию их в системах оборотного водоснабжения. В градирнях
этих систем зачастую развиваются зеленые и сине-зеленые водоросли,
поскольку в оборотной воде обычно содержится азот нитратов и фос-
фаты.
Водоросли могут оказывать значительное влияние на химический
состав оборотной воды и физико-химические процессы, происходя-
щие в системах оборотного водоснабжения. Водоросли обладают
способностью в дневное время поглощать углекислоту из оборот-
ной воды и выделять кислород, в то время как ночью происходит
обратное явление. Это приводит к существенным колебаниям pH
оборотной воды, сдвигам углекислотного равновесия оборотной
воды и изменениям ее стабильности и коррозионной активности.
— 101 —
При интенсивном развитии водорослей в оросителях и во-
доуловителях градирен охлаждающая способность последних мо-
жет снизиться на 15% и более.
Основным методом борьбы с водорослями, развивающимися в
градирнях, является обработка оборотной воды медным купоросом
дозой 2—4 г/м3 (в пересчете на медь). Период обработки зависит от
интенсивности развития водорослей и может колебаться от недели
до месяца.
Продолжительность подачи раствора медного купороса состав-
ляет 1—2 ч. Раствор медного купороса следует вводить непосред-
ственно перед градирней в трубопровод, подающий нагретую воду
с технологических установок. Поскольку этот трубопровод напор-
ный, то закачивание в него раствора осуществляется с помощью
насосов-дозаторов. Для введения раствора медного купороса в тру-
бопровод может быть использовано и безнасосное устройство, изо-
браженное на рис. 5.6.
Если наблюдается обрастание градирен помимо водорослей так-
же и бактериями, то после обработки воды медным купоросом ре-
комендуется в течение 1 ч обрабатывать воду хлором дозой 7—10мг/л.
Гл ава 6. РАЗРУШЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ СООРУЖЕНИЙ
И ОБОРУДОВАНИЯ СИСТЕМ ОБОРОТНОГО
ВОДОСНАБЖЕНИЯ
И СПОСОБЫ ЕГО ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ
Для систем оборотного водоснабжения промышленных пред-
приятий в той или иной мере характерны процессы, приводящие к
разрушению конструкционных материалов. Это прежде всего про-
цессы коррозии теплообменного оборудования и металлических
конструкций градирен, а также процессы разрушения других кон-
струкционных материалов градирен: бетона, дерева и асбестоце-
мента. Разрушение материалов приводит к значительному сокра-
щению срока службы сооружений, аппаратов и коммуникаций си-
стем оборотного водоснабжения и наносит большой ущерб промыш-
ленным предприятиям. Поэтому исследование процессов разру-
шения конструкционных материалов, разработка и внедрение ме-
тодов их защиты являются чрезвычайно актуальными для народ-
ного хозяйства.
1. СТАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Разрушение стальных труб, теплообменного оборудования и
конструктивных элементов градирен систем оборотного водоснаб-
жения является в основном следствием процессов электрохими-
ческой коррозии, которые происходят при контакте металла с раз-
бавленными водными растворами различных солей вследствие
— 102 —
образования гальванических пар. Возникновение этих пар обуслов-
лено неоднородностью металла, т. е. различным химическим соста-
вом или неодинаковой его плотностью на разных участках, неод-
нородными напряжениями и деформациями, посторонними вклю-
чениями и т. п. Таким образом получается многоэлектродный галь-
ванический элемент с анодными и катодными участками.
На анодных участках ионы металла переходят в раствор, осво-
бождая при этом электроны, которые движутся по металлу от анод-
ных участков к катодным. Чем больше сила тока коррозионной
пары, тем интенсивнее коррозия.
Уравнение коррозионного процесса на аноде имеет вид:
Ме++ 4-20-э-Ме+++ 20. (6.1)
нон-атом ион электроны
Переход электронов от анода к катоду способствует снижению
разности потенциалов между ними, уменьшает силу коррозионного
тока и интенсивность коррозии или даже прекращает ее полностью.
Коррозионный процесс продолжается лишь в том случае, если
на катоде электроны взаимодействуют с деполяризаторами и поки-
дают металл. Деполяризаторами катодного процесса могут быть
кислород, растворенный в воде, и ионы водорода, поступающие
к катодным участкам.
Реакция с водородной деполяризацией
20 + 2Н+ Н2; (6.2)
реакция с кислородной деполяризацией
40 + О2+2Н2О 4ОН-. (6.3)
Причиной коррозии могут быть микроорганизмы, в результате
жизнедеятельности которых могут образовываться на поверхностях
металла в теплообменных аппаратах и трубопроводах агрессивные
соединения: сероводород, углекислота и др.
Среди различных проявлений коррозии различают сплошную
коррозию, которая более или менее равномерно распространяется
по всей поверхности металла, и местную. Местная коррозия распро-
страняется лишь на отдельных участках и может быть точечной
(многочисленные поражения диаметром 0,1—2 мм и глубиной до
1 мм), язвенной (отдельные ямки—раковины с резко очерченными
краями) и в виде пятен.
ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ,
ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОЦЕСС КОРРОЗИИ МЕТАЛЛА
Факторы, влияющие на коррозию металла, подразделяются на
внешние и внутренние. К внешним факторам относятся условия
среды, в которой находится металл: химический состав воды, и в ча-
стности наличие в ней веществ, ускоряющих или замедляющих кор-
розию, температура, скорость движения воды относительно метал-
ла и др. К внутренним факторам коррозии относятся химический
— 103 —
Рис. 6.1. Зависимости скоростей коррозии
стали от pH
состав и структура металла,
наличие внутренних напряжс-
ний, деформаций и состояние по-
верхности металла.
Величина pH воды и содер-
жание в воде растворенного кис-
лорода оказывают значительное
влияние на интенсивность кор-
розии, На рис. 6.1 представлены
зависимости скорости коррозии
стали от указанных факторов.
Кривые 1—4 построены для вод
с различной концентрацией
растворенного кислорода — от нулевой (кривая /) до предела
растворимости при данной температуре (кривая 4}. Анализ этих
кривых показывает, что с увеличением концентрации раство-
ренного в воде кислорода скорость коррозии значительно воз-
растает. Сталь подвергается весьма интенсивной коррозии при
pH < 4, при этом с увеличением pH в этой области скорость корро-
зии резко падает. При pH = 44-8 и больших концентрациях кис-
лорода скорость коррозии лишь незначительно зависит от pH.
Для большинства систем оборотного водоснабжения, работаю-
щих на природных водах, характерно практически полное насы-
щение оборотной воды кислородом с pH = 7,54-8,5. Хотя в этой
области pH скорость коррозии гораздо меньше, чем при более низ-
ких pH, однако наряду с уменьшением общей потери металла от
коррозии в ряде случаев наблюдается язвенная коррозия стали.
Растворенные в воде соли оказывают двоякое влияние на процесс
коррозии стали: с одной стороны, повышение концентрации солей
способствует интенсификации электрохимической коррозии вслед-
ствие повышения электропроводности воды, а с другой стороны,
повышение солесодержания снижает растворимость кислорода и
приводит к уменьшению коррозионной активности воды.
Свободная углекислота обусловливает понижение pH воды. На-
личие в воде значительного количества свободной углекислоты пре-
пятствует образованию защитных пленок на металле. Отложения
окислов железа получаются рыхлыми и легко уносятся с потоком
воды. В системах оборотного водоснабжения (с достаточным коли-
чеством кислорода и pH > 7) при взаимодействии углекислоты с
гидратом закиси железа образуется растворимый бикарбонат за-
киси, который затем подвергается процессам гидролиза и окисления
с образованием взвешенной гидроокиси железа:
Fe (ОН)2 + 2СО2 Fe (НСО3)2; (6.4)
4Fe (НСО3)2 + О2 + 2Н2О 4Fe (ОН)3 + 8СО2. (6.5)
В результате этих реакций освобождается углекислота, которая
снова способна растворять образующийся в процессе коррозии гид-
рат закиси железа. Активное участие свободной углекислоты в кор-
— 104 —
розии железа является круговым процессом, поэтому наличие ее
в оборотной воде может быть причиной существенной интенсифика-
ции коррозии стальных теплообменных аппаратов, трубопроводов
и конструктивных элементов градирен [9].
Сероводород и гидросульфиды способствуют значительной ин-
тенсификации процессов коррозии стали. Продуктом коррозии яв-
ляется сернистое железо FeS. Оно не образует сколько-нибудь плот-
ной защитной пленки на металле и не защищает железо от даль-
нейшей коррозии. Особенно опасен сероводород в сочетании с кисло-
родом, являющимся активным катодным деполяризатором.
Многочисленные экспериментальные исследования показывают,
что с увеличением концентраций хлоридов и сульфатов коррозион-
ная активность воды значительно возрастает. Так, при темпера-
туре воды 40° С, характерной для систем оборотного водоснабже-
ния, с увеличением концентрации сульфатов с 50 до 2500 мг/л ско-
рость коррозии стали возрастает в 2 раза [с 0,93 до 1,8 г/(м2-ч)].
Скорость движения воды относительно поверхности металла
также является одним из наиболее существенных факторов, опре-
деляющих интенсивность коррозии. С увеличением скорости интен-
сивность коррозии до известного предела возрастает, что, по-ви-
димому, связано с увеличением притока к металлу кислорода, уси-
ливающего деполяризацию катодных участков коррозионных элемен-
тов [9]. Дальнейшее увеличение скорости движения воды может
несколько уменьшить интенсивность коррозии за счет пассивиро-
вания металла и образования прочных оксидных пленок при энер-
гичном притоке кислорода. Иногда, однако, при больших скоростях
воды наблюдаются увеличение интенсивности коррозии вследствие
механического разрушения потоком воды защитных пленок.
Температура воды оказывает двоякое влияние на процесс кор-
розии. С одной стороны, с повышением температуры воды интен-
сивность коррозии, как и многих других физико-химических про-
цессов, возрастает; с другой стороны, с увеличением температуры
снижается растворимость кислорода, что приводит к некоторому
снижению скорости коррозии.
Очень интенсивная коррозия характерна для систем, использу-
ющих морские воды и некоторые виды сточных вод.
Коррозия теплообменного оборудования, трубопроводов и сталь-
ных конструктивных элементов градирен систем оборотного водо-
снабжения может нанести огромный материальный ущерб промыш-
ленным предприятиям и народному ходяйству в целом, поэтому
методам защиты от нее уделяется большое внимание.
МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛА ОТ КОРРОЗИИ
Современная наука и практика располагают достаточным арсе-
налом средств борьбы с коррозией в системах оборотного водоснаб-
жения, которые при правильном выборе, соответствующем конкрет-
ным условиям каждой системы, и своевременном применении дают
— 105 —
возможность резко снизить интенсивность коррозии и получить
благодаря этому большой экономический эффект.
Основными способами защиты от коррозии стальных теплообмен-
ных аппаратов, трубопроводов и конструктивных элементов гради-
рен систем оборотного водоснабжения являются применение инги-
биторов, электрохимическая защита, применение защитных покры-
тий и коррозиестойких материалов.
Ингибиторы коррозии. Ингибиторы являются эффективным,
практически всегда доступным и наиболее легко применимым сред-
ством защиты от коррозии систем оборотного водоснабжения. В на-
стоящее время в качестве ингибиторов коррозии используется боль-
шое количество соединений, которые могут быть разделены на две
основные группы: неорганические и органические ингибиторы.
В системах оборотного водоснабжения, характеризующихся на-
сыщением воды кислородом и протеканием процесса коррозии с
кислородной деполяризацией, весьма эффективны хорошо раство-
римые в воде неорганические ингибиторы. В качестве неорганиче-
ских ингибиторов применяются в основном хроматы, фосфаты, си-
ликаты, а также нитраты. Действие этих ингибиторов основано на
торможении анодного или катодного электрохимических процессов
или обоих одновременно. Все эти ингибиторы образуют на поверх-
ности металла нерастворимую защитную пленку.
Хроматы и бихроматы как средство обработки воды для борьбы
с коррозией известны достаточно давно. При дозе 800—1000 мг/л
хромата или бихромата натрия или же бихромата калия достигает-
ся практически полное подавление коррозии стали в пресных водах.
Известен также режим обработки воды хроматом КгСгО4 или
бихроматом КгСг2О7 калия с первоначальной дозой 800—1000 мг/л
и последующей 200—250 мг/л при корректировании pH до 8,5—
9,5. Некоторые исследователи при обработке воды хроматами ре-
комендуют поддерживать pH = 6,5ч-8, а другие считают опти-
мальным pH = 7,5-?9.
Хроматы и бихроматы относятся к числу «опасных» ингибиторов,
поскольку недостаточная их доза приводит к развитию язвенной
коррозии при общем уменьшении коррозионной потери металла.
По С. А. Белезину, оптимальная концентрация хроматов зави-
сит от солесодержания воды, и только при значительных концентра-
циях хроматов достигается предотвращение местной коррозии.
Экспериментально показано, что защитное действие хроматов в зна-
чительной мере зависит от концентрации хлоридов и резко сни-
жается с увеличением последней.
Поскольку для достижения защитного эффекта требуются высо-
кие концентрации хроматов и бихроматов, эти реагенты находят при-
менение главным образом в закрытых системах оборотного водо-
снабжения. Применению их в открытых системах препятствует опас-
ность токсикации окружающей среды вследствие сбросов воды в во-
доемы и попадания в атмосферу капель воды, выносимых из гради-
рен, а также высокая стоимость обработки.
— 106 —
Широкие перспективы применения хроматов и бихроматов в от-
крытых системах оборотного водоснабжения открылись лишь после
разработки комплексных ингибиторов, в состав которых указанные
соединения входят в очень малых концентрациях—около несколь-
ких мг/л.
Фосфаты (в основном гексаметафосфат и триполифосфат натрия)
находят применение в качестве ингибиторов коррозии в различных
системах производственного водоснабжения, в том числе и в системах
оборотного водоснабжения. Гексаметафосфат и триполифосфат
натрия относятся к катодным ингибиторам, они снижают интенсив-
ность коррозии вследствие торможения отдельных процессов катод-
ной реакции: ионизации кислорода, диффузии кислорода к катоду,
разряда ионов водорода. Торможение этих процессов происходит в
результате образования на катодных участках нерастворимых сое-
динений. В некоторых условиях гексаметафосфат натрия действует
как смешанный ингибитор, т. е. одновременно тормозит оба электрод-
ных процесса (анодный и катодный).
При растворении гексаметафосфата натрия в природных водах,
содержащих катионы Са2+ и Mg2+, и при избытке его по отношению
к этим катионам образуются растворимые комплексные соединения,
в которых атомы натрия в анионе гексаметафосфата обмениваются
на ионы Са2+ и Mg2+, образуя растворимые комплексные соединения
Na2 [Са2 (РО3)6] и Na2 [Mg2 (РО3)6].
Если в растворе нет избытка гексаметафосфата натрия, то проис-
ходит образование малорастворимых соединений типа гексамета-
фосфата кальция Са [Са2(РО3)6], которые, входя в состав коррозион-
ных отложений, уплотняют их и делают малопроницаемыми. Та-
ким образом, на поверхности металла образуется слой отложений,
важнейшей составной частью которого является метафосфат каль-
ция. Этот слой отложений и называется защитной метафосфатной
пленкой. Для быстрого создания защитной метафосфатной пленки
рекомендуется при пуске системы оборотного водоснабжения за-
полнить ее водой с концентрацией гексаметафосфата натрия (в рас-
чете на Р2О8) около 100 мг/л и в течение 2—3 сут поддерживать цир-
куляцию этой воды, после чего перейти на обработку добавочной
воды гексаметафосфатом натрия из расчета 3—5 мг/л.
В литературе встречаются указания о том, что понижение pH
воды подкислением до 6,5—7 при одновременном увеличении дозы
гексаметафосфата натрия до 10—30 мг/л обеспечивает более надеж-
ную защиту от коррозии. При указанных значениях pH воды про-
текает менее опасная коррозия, выражающаяся в равномерном
воздействии на всю поверхность стальных элементов, а это лучше,
чем язвенная коррозия или бугристые отложения, получающиеся
при более высоких pH. Метод подкисления воды до рН=6,5-=-7 с од-
новременной обработкой повышенными дозами гексаметафосфата
натрия рекомендуется применять при значительной коррозионной
активности воды, когда обычная обработка гексаметафосфатом
натрия не дает удовлетворительных результатов.
— 107 —
Наряду с этим встречаются и иные рекомендации, в частности
К. Кук рекомендует поддерживать концентрацию метафосфатов в
циркуляционной воде от 10 до 50 мг/л при pH = 74-8.
Оптимальный режим фосфатной обработки оборотной воды в зна-
чительной мере зависит от условий работы системы, в частности
от температуры нагрева воды, кальциевой жесткости, параметров
водного режима системы и др. Режим фосфатирования на практике
в каждом конкретном случае уточняется в процессе эксплуатации.
Наряду с применением в качестве самостоятельных ингибиторов
фосфаты входят в качестве одного из компонентов в состав много-
численных комплексных замедлителей коррозии.
При добавлении к воде силиката натрия Na2SiO3 (жидкого стек-
ла) на поверхностях стальных трубопроводов и трубок теплооб-
менных аппаратов образуется защитная пленка, в состав которой
входят силикаты кальция и магния, образующиеся в результате
реакции между силикатом натрия и содержащимися в воде катио-
нами кальция и магния. Кроме того, при обработке воды жидким
стеклом происходит подщелачивание воды в результате гидролиза
жидкого стекла, что приводит к сдвигу индекса насыщения воды
карбонатом кальция в положительную сторону.
В зависимости от pH обрабатываемой воды применяют жидкое
стекло с различным модулем (отношение SiO2/Na2O). Для кислых
вод с pH < 6 рекомендуется применение щелочного жидкого стек-
ла с низким модулем, для вод с pH > 6 с модулем около 3.
Дозу жидкого стекла обычно принимают 7—10 мг/л (в расчете
на SiO2) в первоначальный период, а после создания защитной плен-
ки (что устанавливают по уменьшению степени обогащения железом
транспортируемой по трубам воды) дозу жидкого стекла снижают
до 3—4 мг/л.
Рядом исследователей установлено, что при высоких концентра-
циях хлоридов и сульфатов, достигающих 500 мг/л, удовлетвори-
тельную защиту можно получить при концентрации силиката нат-
рия 30—40 мг/л.
Силикаты как ингибиторы коррозии имеют меньшее распростра-
нение, чем фосфаты. Иногда они применяются в смеси с фосфатами
или хроматами.
Нитрит натрия NaNO2 является достаточно эффективным ин-
гибитором коррозии как в пресных, так и в морских водах [10].
Считается, что действие нитрита натрия связано с окислением двух-
валентного железа в трехвалентное с образованием на поверхности
стали защитного слоя нерастворимых гидратированных высших
окислов [10].
Нитрит натрия относят как к пассивирующим, так и к пленко-
образующим замедлителям коррозии, поскольку он оказывает од-
новременно пассивирующее и пленкообразующее действие.
Экспериментально показано, что NaNO2 является эффективным
ингибитором даже в присутствии значительных концентраций NaCl
и его эффективность увеличивается с повышением pH.
— 108 —
Нитрит натрия является анодным ингибитором, и при недоста-
точной его дозе может развиться язвенная коррозия [23]. Приме-
нение нитрита натрия эффективно при pH > 6.
Кремнефтористый цинк ZnSiF6 • 6Н2О применяется в качестве
ингибитора коррозии значительно реже, чем указанные выше сое-
динения. При использовании этого ингибитора защитная пленка,
образующаяся на поверхности стали, состоит из малорастворимых
соединений силикатов и фторидов. Кремнефтористый цинк приме-
няется в дозах от 1 до 10 мг/л в зависимости от концентрации хло-
ридов и сульфатов.
Кроме перечисленных соединений, применяемых в качестве одно-
компонентных ингибиторов, в последние годы все большее распро-
странение получают различные многокомпонентные комбинации
ингибиторов, обладающие, как правило, большей эффективностью
и рядом других преимуществ по сравнению с однокомпонентными.
Наиболее известны следующие композиции ингибиторов: поли-
фосфаты и соли цинка; хроматы и соли цинка; хроматы и фториды;
хроматы и фосфаты; бихроматы с солями цинка и гексаметафосфатом
натрия. Последняя композиция получила наибольшее распростра-
нение. Она обладает широким спектром действия и дает возможность
получить высокий защитный эффект (до 90% и более) на водах раз-
личного химического состава. С разработкой этой композиции ста-
ло возможным использовать хромсодержащие ингибиторы в откры-
тых системах оборотного водоснабжения, поскольку бихроматы в
этом комплексе применяются в очень малых концентрациях, со-
ставляющих несколько мг/л. Концентрации других компонентов
этого комплекса также невелики и находятся в тех же пределах.
Оптимальное соотношение компонентов данного комплексного
ингибитора подбирается экспериментально в зависимости от хими-
ческого состава воды, используемой в системе оборотного водоснаб-
жения, и параметров ее водного и теплового режимов.
Наибольший эффект в большинстве случаев достигается при
использовании трехкомпонентного ингибитора ZnSO4 • 7 Н2О,
К.2Сг2О7, (NaPO3)6 и фосфатов, причем эффективность обоих этих
ингибиторов примерно одинакова. Фосфаты, в отличие от трехком-
понентного ингибитора, не содержат токсичных компонентов, ко-
торые могут загрязнять окружающую среду в результате сбросов
оборотной воды в водоемы и выноса ее в атмосферу из градирен.
В практике эксплуатации систем производственного водоснаб-
жения для предотвращения коррозии иногда прибегают к методу
«контролируемого накипеобразования», заключающемуся в том, что
тонким варьированием индекса стабильности путем стабилизацион-
ной обработки воды на поверхностях стальных трубопроводов пы-
таются создать пленку карбоната кальция, которая защитила бы
металл от коррозии. Этот метод, с большим или меньшим успехом
применяемый для защиты от коррозии водоводов, мало пригоден
для систем оборотного водоснабжения ввиду их специфических осо-
бенностей.
— 109 —
Одной из таких особенностей является непостоянство темпе-
ратуры воды и концентрации свободной углекислоты в различных
частях системы. Следовательно, индекс насыщения в разных точках
системы также имеет различные значения, а оборотная вода — не-
одинаковую склонность к образованию карбонатных отложений.
Другой особенностью, специфичной для многих систем оборотного
водоснабжения, является развитие биообрастаний на поверхностях
трубок теплообменных аппаратов и трубопроводов. Эксперименталь-
ными исследованиями в промышленных условиях нами показано,
что в системах, подверженных биологическим обрастаниям, не удает-
ся создать на поверхности металла равномерную карбонатную плен-
ку, защищающую его от коррозии. Карбонат кальция образует лишь
разрозненные локальные кристаллические включения в массе био-
обрастаний.
Органические ингибиторы коррозии находят применение в си-
стемах оборотного водоснабжения в основном в зарубежной прак-
тике. В качестве ингибиторов используются следующие соединения:
соли фенилуксусной кислоты, ингибитор ПБ-8/2М (продукт конден-
сации моноэтаноламина с уротропином), некоторые соли одно- и
двухосновных карбоновых кислот, бензоаты щелочных металлов,
диметиламин, этиламин, диэтиламин, соли органических арома-
тических кислот (салициловой,фталевой, фенилуксусной, бензойной),
органические фосфаты и цинксодержащие соединения. Для подав-
ления коррозии в системах оборотного водоснабжения используются
также эмульгируемые или растворимые масла, сульфоглюкозаты
натрия, производные глицерина, танины, крахмал и др. Преиму-
ществом органических ингибиторов по сравнению с неорганически-
ми является их эффективность при наличии хлоридов и других ио-
нов-активаторов .
Электрохимическая защита. Применяются две разновидности
электрохимической защиты: с помощью специального источника
постоянного тока (катодная защита) или без него — соединением
защищаемого аппарата с металлом, обладающим более отрицатель-
ным потенциалом (протекторная защита).
При методе катодной защиты защищаемый объект присоединяют
к отрицательному полюсу источника постоянного тока, к положи-
тельному полюсу которого подсоединен нерастворимый анод, поме-
щенный в тот же электролит. При этом защищаемый объект являет-
ся катодом, не подвергающимся коррозионному разрушению. От-
рицательный полюс источника тока катодно поляризует весь защи-
щаемый объект и превращает анодные участки коррозионных пар
на его поверхности в катодные. При правильном выборе параметров
катодной защиты—защитного потенциала и тока—достигается почти
полное предотвращение коррозионного процесса.
При применении метода катодной защиты на защищаемой поверх-
ности образуется нерастворимая в воде пленка, состоящая в основ-
ном из карбоната кальция и гидрата окиси магния, которая защи-
щает металл от коррозии в течение длительного времени, даже при
— 110 —
отключении источника тока. Недостатком катодной защиты яв-
ляется опасность взрывов вследствие образования искр при подъе-
ме и отключении анодов.
Сущность метода протекторной защиты, так же как и метода
катодной защиты, состоит в том, что защищаемый объект подвергают
катодной поляризации. В данном случае это достигается введением
анодного протектора в ту же агрессивную среду, которая находит-
ся в контакте с защищаемым объектом. Протектор изготовляется из
металла (алюминия, магния), имеющего малую анодную поляризуе-
мость и значительно более низкий (отрицательный) электродный
потенциал по сравнению с потенциалом защищаемого объекта. Меж-
ду анодным протектором и защищаемым объектом вследствие раз-
ности потенциалов протекает электрический ток и происходит ка-
тодная поляризация всей поверхности защищаемой конструкции.
Существенным преимуществом протекторной защиты по срав-
нению с катодной является то, что она не требует специального источ-
ника тока и исключает опасность взрыва [10].
Защитные покрытия и коррозионно-устойчивые материалы.
Весьма эффективным средством защиты теплообменных аппаратов
и трубопроводов систем оборотного водоснабжения от коррозии
являются защитные покрытия. В отличие от ингибиторов, которые
приходится вводить непрерывно, защитные покрытия наносятся
один раз в несколько лет и надежно защищают металл. Толщина
слоя покрытий составляет не более нескольких десятых долей мил-
лиметра, и обусловливаемое ими снижение теплопередачи обычно
гораздо меньше снижения, вызываемого коррозионными отложе-
ниями.
Защитные покрытия, применяемые в системах оборотного водо-
снабжения, делятся на две основные группы: лакокрасочные и ме-
таллические. Значительное распространение получили покрытия
бакелитовыми и кремнийорганическими лаками, а также покрытия
на основе эпоксидных смол—эпоксифенольные и эпоксипековые.
Большой практический интерес представляют электрохимически
активные лакокрасочные покрытия, приготовляемые из цинкового
порошка и связующих полимерных материалов. Протекторная
цинковая краска на полистироле из кубового остатка наносится
на поверхность, подвергнутую пескоструйной обработке, и состоит из
7,4—7,5% полистирола, 66,6—67,6% цинковой пыли и 24,7—
26% очищенной ксилольной фракции. Толщина пленки составляет
450—500 мкм. Протекторная цинковая краска по стойкости не
уступает покрытиям из эпоксидных смол, имеет хорошую адгезию
со сталью и эффективно защищает сталь как в пресных, так и в мор-
ских водах [10].
Цинковые термодиффузионные покрытия отличаются наиболь-
шей стойкостью и эффективностью по сравнению с другими цинко-
выми покрытиями. Для нанесения этого вида покрытия использу-
ется цинковый порошок (отход цинкового производства) с добавле-
нием 20—25% инертных веществ (окиси алюминия, кварцевого пе-
— 111 —
ска). Термодиффузионная оцинковка производится в заводских ус-
ловиях при температуре 400 — 500° С в течение нескольких часов.
Толщина покрытия составляет 120—150 мкм.
Цинковые покрытия способны не только предохранять сталь от
коррозии вследствие изоляции ее от агрессивной среды, но и защи-
щать участки с поврежденным покрытием электрохимически, бла-
годаря тому что электродный потенциал у цинка более отрицателен,
чем у стали.
Для защиты стали от коррозии находят применение покрытия
оловом, хромом, никелем, свинцом, цинком и алюминием.
В системах оборотного водоснабжения промышленных пред-
приятий и тепловых электростанций применяются также теплооб-
менные аппараты с трубками из коррозиеустойчивых материалов:
нержавеющей стали и различных видов латуни, в том числе леги-
рованных оловом, алюминием и мышьяком.
2. ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Деревянные конструкции градирен в процессе эксплуатации под-
вергаются разрушению под влиянием биологических и химических
факторов. Большую роль в разрушении древесины в градирнях
играют грибки и микроорганизмы (более 2000 видов), развивающиеся
в системах оборотного водоснабжения и извлекающие из дерева
вещества, необходимые для их жизнедеятельности (углеводороды и
ароматические соединения).
Поверхность древесины обычно разрушают грибки, а затем в
глубь ее проникают бактерии. При этом происходит постепенное
превращение целлюлозы в промежуточный продукт—глюкозу, ко-
торая в свою очередь превращается в органические кислоты. Под-
верженная воздействию микроорганизмов древесина содержит остат-
ки целлюлозы, а также лигнин и неорганические составляющие,
в то время как продукты обмена веществ микроорганизмов в форме
низкомолекулярных и гуминовых кислот вымываются оборотной
водой.
Интенсивность химического разрушения древесины в градирнях
зависит от химического состава оборотной воды. Установлено, что
большую роль в этом играет pH оборотной воды. Чем выше pH,
тем интенсивнее разрушение древесины. Так, при повышении pH
с 5 до 9 интенсивность разрушения лиственницы и дуба возрастает
в 2—3 раза, а сосны и ели — в 10—16 раз. Поэтому для предохра-
нения древесины от разрушения pH оборотной воды следует поддер-
живать на уровне, не превышающем 8.
Разрушению древесины способствует и свободный хлор, приме-
няемый для борьбы с микроорганизмами в системах оборотного
водоснабжения. Допустимой считается концентрация свободного
хлора, не превышающая 1 мг/л.
Экспериментально установлено, что разрушение древесины, осо-
бенно сосны и ели, интенсифицируется с увеличением в оборотной
— 112 —
Воде концентраций хлоридов, сульфатов, фосфатов, карбонатной
и некарбонатной жесткости. Это следует учитывать при выборе
источника добавочной воды и параметров водного режима системы,
определяющих химический состав оборотной воды.
ПРОПИТКА ДРЕВЕСИНЫ
Для пропитки древесины с целью защиты ее от разрушения при-
меняют фториды в сочетании с солями хрома, мышьяка и другими
компонентами. Например, такие композиции (бельгийский патент
658935, 1965 г.):
а) 40 К2Сг2О7; 7Н2Сг2О7; 15Na2AsO3; 31,6 (NH4)2F2;
1,4 Na2F2; 5 CaSO3 или 5 NiSO4;
б) 40 К2Сг2О7; 15 Na2F2; 40 K2F2; 5 NiF2 • 4 H2O.
В практике принято несколько способов пропитки древесины:
под давлением, под вакуумом и с использованием диффузионных
процессов.
При обработке древесины растворами солей без применения
давления достигается незначительная глубина проникания раство-
ра в толщу древесины (максимум несколько миллиметров), вслед-
ствие чего водорастворимые соли довольно быстро вымываются.
Из различных методов пропитки древесины без применения дав-
ления наиболее рациональной является обработка древесины в го-
рячей и холодной ваннах. Этот метод пригоден также для пропитки
древесины маслами.
Методы пропитки древесины под давлением намного эффектив-
нее описанных выше. Они отличаются более глубоким и более равно-
мерным прониканием раствора в массу древесины. Пропитка дре-
весины под давлением производится по следующей методике. Сначала
древесину подвергают воздействию вакуума глубиной до 0,8 кгс/см2
с целью удаления из пор воздуха, который препятствует проника-
нию пропитывающего раствора. Затем в сосуде, содержащем этот
раствор, создают давление 8—14 кгс/см2 (0,8—1,4 МПа) и выдер-
живают древесину в течение 1 —2 ч. При этом на 1 м3 древесины
расходуется 4—8 кг раствора.
Для пропитки древесины, применяемой для изготовления кон-
структивных элементов градирен, используют креозот, нейтральные
углеводороды (нафталин, антрацен, фенантрен), а также высококи-
пящие основания (акридин, хинолин, метилхинолин) [34]. Из ней-
тральных углеводородов наиболее устойчивым против вымывания
из древесины является нафталин. Технология пропитки древесины
органическими веществами состоит в следующем. Древесину вы-
держивают в сосуде, заполненном сжатым воздухом, под давлением
5 кгс/см2. По истечении 30—40 мин ее приводят в контакт с пропи-
тывающим веществом, нагретым до температуры 105—110°С, при
том же давлении. Затем давление повышают до 9 кгс/см2 и выдер-
живают древесину в течение 1—4 ч в зависимости от ее вида, после
чего давление снижают до атмосферного.
— 113 —
Ё качестве фунгицида и инсектицида для пропитки древесины
применяют пятихлористый фенол в 5—7,5 %-ном растворе с добав-
ками поверхностно-активных веществ для лучшего проникания это-
го вещества в массу древесины. Пропитку также осуществляют под
давлением.
В отечественной практике элементы деревянных конструкций
градирен пропитывают невымываемым минеральным антисептиком
селькуром или ХМ-5 (по ГОСТ 13327—73) в цилиндрах под давле-
нием или методом горяче-холодных ванн.
Деревянные заготовки пропитывают до установки стальных кре-
пежных изделий. Последние защищают от коррозии оцинкованием.
ОПРЫСКИВАНИЕ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИИ
Если описанные выше методы пропитки древесины применяются
при подготовке ее для изготовления деревянных конструкций гра-
дирен, то опрыскивание последних практикуется (в основном за
рубежом) в процессе эксплуатации градирен. Опрыскивание произ-
водится периодически через 3—12 месяцев и предназначено для
борьбы с поверхностными грибковыми поражениями деревянных
конструкций. Продолжительность одного сеанса обработки состав-
ляет примерно 5 ч. Для опрыскивания используют в основном раз-
личные смеси хлорфенолов. Для ввода и равномерного распределения
опрыскивающей композиции в градирне предусмотрена распреде-
лительная система, состоящая из разводящих трубопроводов, снаб-
женных форсунками, и размещаемая несколько выше водоулови-
теля. Подача в градирню опрыскивающего вещества осуществляется
с помощью пара, если вещество применяется в гранулированном
виде, или с помощью сжатого воздуха при использовании жидких
композиций [28, 29, 30].
Обработка деревянных конструкций градирен опрыскиванием
эффективна лишь в том случае, если на их поверхностях нет отло-
жений, препятствующих доступу раствора.
СТЕРИЛИЗАЦИЯ ДРЕВЕСИНЫ ПАРОМ
Термическая обработка дерева при температуре 65° С в течение
1 ч полностью убивает грибок, поражающий древесину. При этом не
возникает никаких побочных явлений, приводящих к повреждению
древесины. Предполагается, что стерилизация паром дает возмож-
ность успешно бороться и с внутренними поражениями древесины.
3. АСБЕСТОЦЕМЕНТНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Асбестоцементные оросители и обшивка градирен характеризу-
ются большей долговечностью, чем аналогичные элементы из дерева,
однако и они при определенных обстоятельствах разрушаются и
требуют соответствующих мер защиты.
— 114 —
Одним из основных веществ, разрушающих асбестоцементные
конструкции, является агрессивная свободная углекислота, кото-
рая содержится в оборотной воде. Считают, что предельно допусти-
мая концентрация ее составляет 5 мг/л. При больших концентра-
циях применение асбестоцементных конструкций в градирнях не
рекомендуется. Величину pH оборотной воды необходимо поддер-
живать в диапазоне 7,5—9. Это следует учитывать при выборе кон-
струкционных материалов градирен и методов обработки воды для
предотвращения карбонатных отложений в системах оборотного водо-
снабжения. При применении в градирнях асбестоцементных кон-
структивных элементов особую осторожность следует проявлять
выбирая методы подкисления или водород-катионирования добавоч-
ной воды. Что же касается метода рекарбонизации, то его приме-
нение в данном случае не рекомендуется.
Агрессивным компонентом оборотной воды по отношению к асбе-
стоцементу являются сульфаты. При концентрациях их, превы-
шающих 1000 мг/л, рекомендуется при изготовлении конструктив-
ных элементов градирен использовать сульфатостойкие сорта це-
мента. Агрессивными считаются также соли аммония и магния; их
допустимые концентрации в оборотной воде принимают равными со-
ответственно 1000 мг/л по NHJ и 700 мг/л по Mg2+ [41].
По некоторым литературным данным, ортофосфаты не только не
проявляют агрессивного воздействия на асбестоцементные кон-
структивные элементы, но в концентрации, превышающей 5 мг/л,
придают им даже дополнительную прочность.
Асбестоцементные листы, применяемые для обшивки железобе-
тонных и стальных каркасов, градирен, защищают антикоррозион-
ной пропиткой, например петролатумом и каменноугольным пе-
ком. Находят применение также хлоркаучуковые, полиуретановые,
эпоксидные, битумные и лакокрасочные покрытия [31].
4. БЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Разрушение бетона обусловлено химическим составом воды, с
которой он соприкасается, и главным образом концентрацией аг-
рессивной свободной углекислоты и сульфатов. Агрессивная угле-
кислота вызывает растворение гидрата окиси кальция, входящего
в состав бетона; сульфаты являются причиной так называемой
сульфатной агрессии. В табл. 6.1 приведена классификация кон-
центраций сульфатов по степени их агрессивности, принятая в
некоторых странах1.
В отечественной практике агрессивные концентрации сульфатов
определяются в зависимости от концентраций хлоридов, размеров
конструкций и назначения сооружения.
Предотвращение или снижение до минимума разрушения бетона
при контакте с водой достигается главным образом технологически-
1 Н. D. Held. Ktihlwasser. Essen, 1970.
— 115 —
Таблица 6.1
Концентрация сульфатов, мг/л
Страна
слабо
агрессивная
сильно
агрессивная
очень сильно
агрессивная
ФРГ
США
Англия
200- -GOO
150—1000
300—1000
600—2500
1000—2000
>1000
2500
2000
ми мероприятиями: выбором соответствующих марок бетона, со-
става, технологии приготовления и последующей обработки бетон-
ной смеси с целью достижения возможно большей плотности бетона.
Для защиты бетона от очень агрессивных сред, а также от раз-
мораживания применяют покрытие конструктивных элементов
стеклопластиком на полиэфирных смолах, монолитно связанным
с поверхностью бетона.
5. ПЛАСТМАССОВЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
В последние годы пластмассы находят все более широкое при-
менение при изготовлении конструктивных элементов градирен, в
частности оросителей, водоуловителей и водораспределительных
устройств. Для изготовления конструктивных элементов градирен
используют ненасыщенные полиэфирные смолы, ударопрочный
полистирол, полимер стирола и акрилнитрила, полиэтилен низкого
давления, поливинилхлорид и др.
Пластмассы обладают меньшей теплопроводностью, устойчи-
востью к температурным воздействиям и прочностью, чем материа-
лы, применяемые обычно для изготовления конструкционных эле-
ментов градирен. Однако пластмассам присущи гораздо большая
устойчивость против коррозии вообще и в частности коррозии, обус-
ловленной сернистым газом и хлором, меньшие водонасыщаемость
и вес.
Тем не менее пластмассовые конструкции подвержены биологи-
ческой коррозии, для предотвращения которой в состав пластмасс
вводят специальные присадки, например поливинилхлорид или
другие производные винила. В качестве бактериальных добавок к
пластмассам применяют также производные трихлормеркаптанов
и четвертичных нафтеновых солей аммония.
Глава 7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТОЧНЫХ ВОД
В ОХЛАЖДАЮЩИХ СИСТЕМАХ
ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
В последние годы наметилась тенденция использования после
соответствующей очистки городских и производственных сточных
вод в охлаждающих системах оборотного водоснабжения взамен све-
- 116 —
жей воды из источников. Такие системы, как правило, переводятся
на беспродувочный режим работы, а следовательно, на высокие
коэффициенты концентрирования компонентов, содержащихся в обо-
ротной воде. Использование сточных вод в системах оборотного
водоснабжения позволяет сократить забор воды из источников, сброс
загрязнений со сточными водами в водоемы и этим самым улучшить
их санитарное состояние.
Городские и производственные сточные воды нередко содержат
специфические примеси, предельно допустимые концентрации
(ПДК) которых для воды водоемов очень малы. Извлечение этих
примесей из сточных вод на очистных сооружениях часто оказы-
вается малоэффективным или дорогостоящим. В то же время нали-
чие их в воде во многих случаях не мешает ее использованию в си-
стемах оборотного водоснабжения в качестве добавочной.
Для создания беспродувочных систем оборотного водоснабже-
ния и для использования в них сточных вод необходимо проведение
исследований по определению требований к качеству очищенных
сточных вод, оптимальных вариантов очистки стоков, а также ме-
тодов их обработки в целях предотвращения коррозии, солевых
отложений, биологических обрастаний трубопроводов и оборудо-
вания.
Следует обратить внимание еще на один источник загрязнения’
Оборотная вода при прохождении через градирни может загрязнять-
ся взвешенными веществами из атмосферного воздуха. На 1 м3
оборотной воды подается 1000 м3 воздуха и более. Если запыленность
воздуха достигает 5 мг/м3 и практически он полностью отмывается
в градирне (80% и выше), то при добавлении воды в систему,
например, в размере 2% расхода оборотной воды концентрация за-
грязнений в расчете на добавочную воду будет составлять 200 мг/л.
Конечно, не все загрязнения в виде взвешенных веществ перейдут
в оборотную воду, некоторая часть их выпадет в осадок в резер-
вуаре градирни. Если предположить, что 80% этих загрязнений
перейдет в оборотную воду в виде взвешенных веществ, то концен-
трация загрязнений за счет пыли, вымываемой из воздуха, в рас-
чете на добавочную воду будет составлять около 160 мг/л. В этом
случае потребуется осветление оборотной воды.
1. ГОРОДСКИЕ СТОЧНЫЕ ВОДЫ
Для восполнения потерь воды из охлаждающих систем оборот-
ного водоснабжения чаще всего используются городские стоки. По-
видимому, это прежде всего связано с тем, что эти стоки более до-
ступны, имеются в достаточных количествах и методы очистки их
хорошо отработаны, тогда как производственных стоков бывает не-
достаточно и, кроме того, остаточные загрязнения в них часто содер-
жат вредные вещества.
— 117 —
Городские сточные воды представляют собой в основном хозяй-
ственно-фекальный сток. Однако, как правило, они включают в
себя и некоторое количество производственных сточных вод, так
как в современных городах в городскую канализацию поступают сто-
ки от промышленных объектов, расположенных на территории го-
рода.
Минеральный состав хозяйственно-фекальных стоков определя-
ется в основном составом воды источника водоснабжения. В хозяй-
ственно-фекальных стоках в результате жизнедеятельности чело-
века увеличиваются (по сравнению с водой в источнике) содержа-
ние магния на 5—20 мг/л, кальция на 10—50 мг/л, аммония на 2—
20 мг/л (в расчете на N), кремния на 10—20 мг/л (в расчете на
SiO2), фосфатов на 15—30 мг/л (в расчете на РО!-), нитратов на 1 —
20 мг/л (в расчете на N), хлоридов на 25—125 мг/л,-сульфатов на
10—40 мг/л, растворенного органического вещества'на 10—50 мг/л,
сухого остатка на 150—500 мг/л и общая щелочность на 0,6—
2 мг-экв/л. Эти данные следует рассматривать как весьма ориенти-
ровочные. Прирост концентраций компонентов в хозяйственно-фе-
кальных водах по сравнению с водой в источнике зависит от многих
фактов и прежде всего от удельного водопотребления. Из приведен-
ных данных следует, что прирост кальция и магния сравнительно
небольшой и способность воды к их выделению практически не ме-
няется. Вероятнее всего, эта способность будет понижаться за
счет добавления к воде поверхностно-активных веществ.
Состав производственных сточных вод может изменяться в широ-
ком диапазоне, и в зависимости от этого определяются возможные
методы очистки городского стока для использования его в качестве
добавочной воды. Однако все возможные альтернативные методы
очистки будут сводиться к снижению ВПК и содержания взве-
шенных веществ, фосфатов, аммония, кальция, магния, силиция,
которые в основном создают помехи в эксплуатации систем оборот-
ного водоснабжения.
В состав сооружений по очистке городских сточных вод (с пре-
обладанием хозяйственно-фекального стока), используемых в охлаж-
дающих системах оборотного водоснабжения, как правило, входят
решетки, песколовки, первичные отстойники, аэротенки или био-
фильтры, вторичные отстойники. В большинстве случаев после пол-
ной биологической очистки эти стоки проходят доочистку на филь-
трах с зернистой загрузкой, на которых производится очистка сточ-
ных вод от взвешенных веществ и частично от растворенных орга-
нических веществ [11]. Органические вещества усваиваются из во-
ды микроорганизмами активного ила, выносимого из вторичных от-
стойников и отлагающегося в толще загрузки фильтра. Несмотря
на относительно небольшое количество кислорода в стоке после вто-
ричных отстойников (3—4 мг/л), а также субстрата, активный ил
в загрузке фильтров содержит и живые клетки, не погибающие в те-
чение полного цикла фильтрования [11]. В верхних слоях загруз-
ки (при движении жидкости сверху вниз) на расстоянии пример-
— 118 —
но до 15 см условия жизнедеятельности микроорганизмов аэроб-
ные, далее вниз по течению воды они могут быть аэробными или ана-
эробными. Концентрация кислорода в фильтрованной сточной воде
может понизиться до 1 мг/л, за счет этого происходит снижение
БПКцолн. ХПК и содержания взвешенных веществ. При скоростях
фильтрации 5—10 м/ч концентрация взвешенных веществ снижается
на 70—80%, а БПКПОлн •—на 65—70%.
В фильтрах для доочистки сточных вод рекомендуется в качест-
ве загрузки применять крупнозернистый кварцевый песок. Эти
фильтры могут быть двухслойными, многослойными, с плавающей
загрузкой, с дополнительной аэрацией, с нисходящим или восходя-
щим потоком жидкости. В фильтрах с нисходящим потоком круп-
ность кварцевой загрузки принимается 1—2 мм с высотой слоя 1—
2 м. Эти фильтры нуждаются, как правило, в поверхностной про-
мывке загрузки с интенсивностью 3—4 л/ (с-м2), так как на ее по-
верхности образуется пленка активного ила, которую необходимо
удалять время от времени [11]. В фильтрах с восходящим потоком
жидкости крупность загрузки рекомендуется та же, что и при нис-
ходящем потоке жидкости, а промывка может быть водяной или во-
довоздушной. Режим водовоздушной промывки может быть таким:
продувка воздухом 1—2 мин с интенсивностью 18—20 л/ (с • м2),
водовоздушная промывка 8—10 мин с интенсивностью по воде 2—
3 л/ (с • м2) и по воздуху 18—20 л/ (с • м2) и на завершающем этапе
промывка водой 4—6 мин с интенсивностью 6—7 л/ (с • м2).
Перед фильтрами с зернистой загрузкой могут быть установлены
микрофильтры, однако они могут и самостоятельно применяться
для доочистки биологически очищенных сточных вод. Как самостоя-
тельное сооружение они обеспечивают снижение концентрации взве-
шенных веществ (активного ила, выносимого из вторичных отстой-
ников) на 50—60 и 55—65% при концентрации их перед микрофильт-
ром соответственно 15—20 и 20—50 мг/л. За счет уменьшения кон-
центрации взвешенных веществ БПКполн после микрофильтров сни-
жается на 25—35%.
Установка микрофильтров перед фильтрами с зернистой загруз-
кой позволяет предотвратить попадание на загрузку волокнистых
взвешенных веществ и других крупных примесей, прошедших пред-
шествующие сооружения, дает возможность работать с повышенны-
ми скоростями фильтрации и (или) увеличивать продолжительность
фильтровального цикла в 2—3 раза. Для промывки микрофильтров
используется фильтрованная вода; расход ее составляет 3—5%
расхода всей пропускаемой через микрофильтр воды.
На сетке микрофильтра при прохождении через нее сточной жид-
кости формируется небольшой слой осадка из активного ила. Раз-
меры пор этого слоя меньше размеров ячеек сетки, благодаря чему
на сетке со слоем осадка улавливаются более мелкие частицы, чем
на сетке без осадка. Для образования слоя осадка на сетке необхо-
димо предотвратить дробление хлопьев активного ила. По рекомен-
дациям ВНИИ ВОДГЕО скорость фильтрации на микрофильтрах
- 119 —
Рис. 7.1. Схема сооружений доочистки город-
ских сточных вод в районе залива г. Сан-
Франциско (США)
1 — сточные воды после биологической очист-
ки; 2 — известь; 3 — полимер или хлорное же-
лезо; 4 — ил на дальнейшую обработку; 5 —
СО2; 6 — воздух; 7 — возвратный ил; 8 — из-
быточный ил в голову сооружений; 9 — мета-
нол; 10 — хлор; 11 — доочищенные сточные
воды на производство; 12 — азот
принимается 25—45 м/ч, про-
должительность фильтроваль-
ного цикла — 15—30 с [111.
Дезинфекция сточных вод,
прошедших полную биологи-
ческую очистку и доочистку
на фильтрах, является обяза-
тельной. По данным Институ-
та общей и коммунальной ги-
гиены им. А. Н. Сысина, при
использовании для дезинфек-
ции хлора продолжительность
контакта его с очищенным
стоком должна быть не менее
0,5 ч, остаточная доза свобод-
ного хлора — не менее
1,5 мг/л, а коли-индекс — не
более 1000. Допускается оста-
точную дозу снизить до 1 мг/л,
но продолжительность кон-
такта хлора с водой в этом
случае должна быть не ме-
нее 1 ч*.
Иногда применяются и
более сложные схемы очист-
ки и доочистки городских
стоков. В качестве примера
на рис. 7.1 приведена такая
необычная технологическая
схема доочистки городских
сточных вод на станции в
районе залива г. Сан-Фран-
циско [32]. После очистки
городские сточные воды на-
правляются для использования в системах водоснабжения бума-
гоизготовительных, нефтеперерабатывающих, нефтехимических,
сталеплавильных и других предприятий. Пропускная способ-
ность станции около 114 тыс. м3 воды в 1 сут, из них 80% воды
потребляется для охлаждения.
Применение извести на первичной стадии очистки по этой схе-
ме позволяет снять большую часть нагрузки по удалению органи-
ческого углерода. Добавка извести (pH = 11) в начале про-
цесса приводит также к удалению фосфора, тяжелых металлов,
которые создают токсичную среду для нитрифицирующих бакте-
рий, и вирусов. Дозирование хлорного железа в количестве 12 мг
* Материалы семинара «Замкнутые системы водного хозяйства промыш-
ленности». Изд. Общества «Знание», РСФСР, МДНТП. М., 1978.
— 120 —
на 1 л в известковый реактор улучшает действие извести при фло-
кулировании части фосфора, находящейся в сточных водах в кол-
лоидной форме. Эта схема уже на первой стадии позволяет уда-
лить фосфор до 1 мг/л и меньше и практически полностью унич-
тожить вирусы.
После первичных отстойников сточная вода направляется в
окислитель-нитрификатор. В нем обеспечивается стабильное окис-
ление аммония до нитратов. Стоки подвергаются рекарбониза-
ции за счет окисления соединений углерода и азота в самом окис-
лителе-нитрификаторе, и добавление углекислоты производится
лишь по мере необходимости (для этих процессов в большинстве
случаев достаточно углекислоты, продуцируемой микроор-
ганизмами). Расход воздуха в окислителе-нитрификаторе состав-
ляет 50 м3 на 1 кг снятой БПК5 плюс потребность в кислороде для
окисления органических соединений, содержащих азот. Процесс
с окислением (аэробная стабилизация) следует за денитрифика-
цией с применением метанола, так как он осуществляется теми же
микроорганизмами. Аэробная стабилизация формирует также
условия для окисления избытка метанолов.
По этой схеме очень эффективно удаляются из сточных вод пи-
тательные вещества. Количество общего азота в денитрифици-
рованном стоке в среднем меньше 2 мг на 1 л, причем более поло-
вины его — органический азот, значительная часть которого уда-
ляется на последней стадии очистки при фильтрации через пес-
чаную загрузку. Данные о работе этой станции очистки показа-
ли, что схема обеспечивает удаление загрязнений до таких зна-
чений, при которых сточные воды могут беспрепятственно исполь-
зоваться в системах оборотного водоснабжения.
При использовании сточных вод, прошедших полную биологи-
ческую очистку, а также доочистку на фильтрах, всегда имеется
тенденция к увеличению биологических обрастаний, отложений
фосфата кальция, пенообразования. Однако эти потенциальные
проблемы могут быть всегда эффективно решены обычными мето-
дами обработки воды, включающими применение биоцидов, реа-
гентов по предотвращению накипи и пенообразования, а также
регулирование pH.
Считается, что использование городских сточных вод для ох-
лаждения выдвигает в качестве основной проблемы контроль pH,
щелочности и соотношения азот : фосфор. При высоком pH воз-
никает опасность отложения фосфатной накипи на стенках тру-
бок теплообменных аппаратов. При низком pH, наличии свобод-
ной углекислоты, нитратов и растворенного кислорода, небольшой
карбонатной жесткости и высокой температуре воды возможна
коррозия металла.
Как показали опыты, если удовлетворительно предотвраща-
ются биологические обрастания, то зачастую одновременно ре-
шается и проблема борьбы с коррозией. Большинство городских
— 121
сточных вод после полной биологической очистки менее корро-
зионно-активно, чем свежая вода из источников.
Результаты проведенных экспериментов указывают на хоро-
шее защитное действие ингибитора коррозии, состоящего из со-
лей хрома, в присутствии катализаторов — солей металлов, на-
пример ZnSO4. Соли хрома и без примеси цинка являются хороши-
ми ингибиторами анодной коррозии, но только при высокой кон-
центрации СгО4“ (до 1000 мг/л), pH = 8-?8,5 и более слабой
минерализации воды. Механизм действия хроматов можно выра-
зить следующими реакциями:
6Fe2+ + 2СгОГ +4Н2О = 3Fe2O3 + Сг2О3 + 8Н+; (7.1)
4Fe + 4СгСц -ф 8Н+ = 2Fe2O3 4- 2Сг2О3 + 4Н2О. (7.2)
Окись хрома на аноде образует коллоидное защитное отложе-
ние. Такая обработка воды, связанная с большим расходом хро-
мовых солей, допустима лишь в закрытых системах, где нет по-
терь воды и при малых расходах оборотной воды.
При применении солей цинка в концентрации 1—3 мг/л (в рас-
чете на Zn2+) в смеси с солями хрома достаточно небольших
концентраций хроматов, исчисляемых единицами миллиграммов
на литр. Механизм действия этой смеси основан на анодном и ка-
тодном процессе: на аноде образуется соединение на основе Fe2O3
и Сг2О3, на катоде происходит отложение Zn(OH)2 в результате
реакции поляризации:
Zn2+ + 2(ОН)~ = Zn(OH)2. (7.3)
В результате обеспечивается хорошее защитное действие от
коррозии даже для воды с высоким солесодержанием. Указанная
смесь особенно эффективна, когда pH обрабатываемой воды рав-
няется 6,5—7.
При использовании городских сточных вод после полной био-
логической очистки в качестве добавочных, как правило, увели-
чивается пенообразование в резервуарах градирен. Интенсивность
пенообразования является функцией концентрации детергентов.
В случае применения населением биологически разлагаемых
детергентов концентрация их в стоке после полной биологической
очистки будет снижаться, и, таким образом, пенообразование
уменьшится.
t. | Вследствие относительно высокого уровня концентрации орто-
фосфатов (до 50 мг/л и выше) в городских сточных водах после
полной биологической очистки возрастают потенциальные воз-
можности отложения накипи в виде фосфата кальция. Вместе с
тем органические вещества, содержащиеся в таких сточных водах,
обладают стабилизирующим действием на фосфат кальция, что
позволяет допустить более высокие концентрации фосфата, чем
при использовании свежей воды из источника. Известны случаи,
когда концентрация ортофосфатов в городских сточных водах
после полной биологической очистки составляла 30—50 мг/л и
— 122 —
благодаря наличию остаточных органических загрязнений в йо*
де не возникала проблема предотвращения накипи в оборотных
системах.
При использовании биологически очищенных городских сточ-
ных вод в качестве добавочных в охлаждающих системах суще-
ственно увеличивается расход биоцидных реагентов, который
может возрастать (по сравнению с расходом, необходимым для
воды из источников) в 1,5—10 раз. Обычно в качестве биоцида при-
меняется хлор, однако могут быть использованы и хлороргани-
ческие соединения.
Несмотря на возросший потенциал развития биологических
обрастаний в теплообменной аппаратуре при использовании го-
родских сточных вод, можно получить хорошие результаты по
предотвращению этих биообрастаний, применяя биоцидную об-
работку воды. При применении хроматных ингибиторов замед-
ляется развитие грибов, большинства водорослей (в градирнях)
и бактерий (в теплообменных аппаратах), поскольку соли хрома
являются токсичными. Особенно эффективно соли хрома подав-
ляют развитие сульфатовосстанавливающих бактерий в теплооб-
менных аппаратах. Фосфатные ингибиторы являются благодат-
ной средой для развития микроорганизмов. Если городские сточ-
ные воды после полной биологической очистки используются в
качестве добавочных вод без биоцидной обработки, может проис-
ходить интенсивный процесс коррозии даже при применении хро-
матных или нехроматных ингибиторов.
Иногда при использовании городских сточных вод’после полной
биологической очистки в системах оборотного водоснабжения наб-
людается довольно значительное окисление аммония до нитратов
с помощью нитрифицирующих бактерий. Этот процесс происходит
также и при использовании в качестве добавочных каких-либо
других вод, содержащих значительные количества аммония.
Бактериальная популяция, которая осуществляет этот процесс,
может вызвать нежелательное понижение pH, если не будут до-
бавлены химические реагенты, повышающие щелочность воды.
Экологические и экономические аспекты указывают на то, что
городские сточные воды после полной биологической очистки все
в больших масштабах будут использоваться в качестве добавоч-
ных в охлаждающих системах оборотного водоснабжения. Есте-
ственно, качество сточных вод будет различным в разных городах
и в разное время года.
В технической литературе приводятся довольно разноречи-
вые требования к качеству добавочной воды исходя из необходи-
мости бесперебойной работы теплообменного оборудования и
трубопроводов (табл. 7.1).
Относительно близкие значения \ предельно допустимых кон-
центраций рекомендуются различными авторами по таким компо-
нентам, как поверхностно-активные вещества (1 мг/л [32, 43])
— 123 —
Т а б л и ц а 7.1
Вещества Предельно допустимая концентрация, .mi/л. по данным
[25] [37] | [42] [43]
Взвешенные 25 10 100
Соли (общее содержание) 2000 — 3000 <500
Сульфаты 500 —— 400 200
Хлориды 300 — 600 500
и фосфаты (0,5—1 мг/л — в расчете на фосфор [37, 43]). Значения
pH предлагается принимать от 6,5 до 8,5 [25, 32].
Необходимо иметь б виду, что в каждом конкретном случае
предельно допустимые концентрации компонентов, содержащихся
в сточных водах, используемых в качестве добавочной воды, бу-
дут зависеть от степени концентрирования ее в оборотной воде (от
коэффициентов концентрирования, называемых также коэффи-
циентами упаривания), характера остаточных загрязнений после
очистки сточных вод, применяемого ингибитора коррозии и др.
Из всех перечисленных выше работ только в работе [37] требова-
ния к качеству воды увязаны с величиной коэффициента концен-
трирования (равной 15).
Предельное общее солесодержание определяется в основном
из условий ограничения интенсивности коррозии оборудования
в системах оборотного водоснабжения. При применении, напри-
мер, хроматного ингибитора коррозии допустимая величина об-
щего солесодержания может быть увеличена в несколько раз с
учетом наиболее распространенных значений коэффициентов кон-
центрирования, равных 2—4. В этом случае предельно допусти-
мая концентрация сульфатов часто будет определяться только
произведением растворимости сульфата кальция.
При использовании городских сточных вод особое значение
придается установлению предельно допустимых концентраций
питательных веществ на основе фосфора и азота. Эти вещества
вызывают интенсификацию биологических обрастаний в тепло-
обменном оборудовании и развитие водорослей в градирнях. В
ряде случаев после полной биологической очистки сточные воды
могут подвергаться специальной доочистке от питательных ве-
ществ. При этом следует учитывать все возможные формы соеди-
нений фосфора и азота и условия их существования. Фосфор и
азот имеют много подобных химических реакций, но между ними
имеется одно существенное различие: фосфор входит в нераство-
римые вещества, а вещества, включающие в себя азот, всегда рас-
творимы.
В биологических процессах очистки фосфор является консер-
вативным элементом, потеря его в атмосферу невозможна, и кру-
говорот его в окружающей среде происходит между органичес-
кими и неорганическими формами соединений. В сточных водах
могут присутствовать следующие формы соединений фосфора:
— 124 —
ортофосфаты: Н3РО4 — при pH < 2,2; Н2РО4 — при pH ==
= 2,2-? 7,2; HPOF—при pH = 7,2 -? 12,4; РОГ — при
pH > 12,4; СаНРС4 — при pH = 6^8; Са5ОН(РО4)3 — при
pH > 7; Са5Г(РО4)3— при pH > 7;
полифосфаты (медленно гидролизуются в ортофосфаты):
Na3(PO3)3; (NaPO3)n; Na4P2O7; Na5P3O10;
органические фосфаты: ROPO3-; ROP3 • РО3 ; RnPO3
(здесь R — органический радикал).
При обычных условиях все ортофосфаты (РО4)3~ и полифос-
фаты (Р2О7)4~, (Р3О10)5-, (Р3О9)3~ и др. в комбинации с одно-
валентными катионами, такими как Н+, Na+, К+, NH4,
дают хорошо растворимые в воде соединения, а с многовалент-
ными катионами, такими как Са2+, А13+ и Fe3+, — плохо рас-
творимые соединения.
Азот в сточных водах обычно присутствует в виде нитратов
КтОу,иона аммония NH4 или растворенного газа аммония NH3.
Нитраты и аммоний являются хорошей питательной средой для
водорослей, но аммоний более токсичен, чем нитраты, и очень
коррозионно-активен по отношению к латунным трубкам тепло-
обменных аппаратов. Кроме того, аммоний значительно увели-
чивает хлоропоглощаемость воды и, следовательно, дозу хлора,
вводимого в оборотную воду для предотвращения биологических
обрастаний.
Газ аммоний и ион аммония весьма быстро переходят из одной
формы в другую. Соотношение этих двух форм в сточной воде за-
висит от pH соответственно уравнению
lg(NH3/NHj) = pH — 9,25 (при t = 25° С).
Для воды с высоким солесодержаннем (более 104 мг/л) и очень
низкой либо очень высокой температурой требуется некоторая
корректировка указанного уравнения. Согласно этому уравнению
при pH <; 7,25 аммоний в газовой форме будет составлять ме-
нее 1%, остальная часть (99%) будет в ионной форме. При pH >
> 11 аммоний в сточной воде будет находиться практически
весь в виде растворенного газа.
Аммоний (газ) может быть десорбирован из сточной воды при
контакте ее с воздухом на градирнях, но для этого требуется боль-
шое количество воздуха. Например, для удаления 90% газа аммо-
ния в обычных водоохлаждающих поперечноточных капельных
градирнях требуется 3000 м3 воздуха на 1 м3 воды в летнее время.
В зимний период, когда температура наружного воздуха снижа-
ется до 0° С, количество воздуха удваивается. В реальных усло-
виях работы водоохлаждающих современных градирен количест-
во воздуха, приходящееся на 1 м3 воды, не превышает 2000 м3.
Следовательно, эффект десорбции аммония (газа) соответственно
ниже 90%.
Городские сточные воды до очистки или после механической
очистки содержат обычно 15—25 мг/л азота, который входит в
— 125 —
состав органических компонентов, в основном не растворенных
в воде, и в аммоний. В процессе биологической очистки подавляю-
щее большинство органического азота переходит в аммоний,
который может быть частично окислен до нитратов. Учитывая,
что нитраты и аммоний являются хорошей питательной средой,
предельно допустимая концентрация общего азота этих соеди-
нений в оборотной воде рекомендуется около 5 мг/л.
При высоких коэффициентах упаривания может возникнуть
необходимость в выводе избытка солеи из систем или умягчения во-
ды, так как в противном случае могут быть превышены произве-
дения растворимости таких соединений, как сульфат кальция, и др.
Для этой цели могут быть использованы обычные способы опре-
снения (дистилляция, ионный обмен, электродиализ, обратный
осмос) и декарбонизация воды.
При декарбонизации городских сточных вод после очистки
расход извести (по сравнению с расходом ее для свежей воды из
источников) на реакции с такими соединениями, как аммоний,
фосфаты и силикаты, может заметно возрасти. Потребность в из-
вести можно рассчитать в зависимости от концентрации в воде
компонентов по следующим химическим реакциям:
Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 | + Н2О; (7.4>
Са(ОН)2 + Са(НСО3)2 = 2СаСО31 + 2Н2О; (7.5}
^Са(ОН)2 + NH4+ =^Ca2+ + NH3+H2O; (7.6)
5Са(ОН)2 ф- ЗНРОГ =Са5(ОН)(РО4)3| + 6(ОН)" + ЗН2О;
(7-7)
Са(ОН)2 + Mg2+ = Са2+ + Mg(OH)21 ; (7.8)
Mg (ОН)2 + SiO2 = [Mg(OH)2]SiO21; (7.9)
NHJ +.НОД 4-2O2 = HNO3 4- CO2 + 2H2O. (7.10)
Большинство этих реакций являются типичными. Исключе-
ние составляют реакции аммония (7.6) и (7.10) и реакция фосфа-
тов (7.7), а также, возможно, и реакция силиция с известью (7.9).
Реакция (7.6) приводит к увеличению кальциевой жесткости, ко-
торая должна быть удалена введением дополнительного коли-
чества карбонатов. Добавление биоцидных реагентов (хлора) пе-
ред известкованием приводит к снижению концентрации аммония,
а следовательно, и щелочности [реакция (7.10)]. Для того что-
бы успешно протекала реакция снижения концентрации магния
до желаемых величин, pH должен быть близок к И. При этом
pH на каждые 7 мг магниевой жесткости приходится 1 мг удаля-
емого силиция. Отсюда может быть сделан вывод, что для дости-
жения желаемой концентрации силиция в воде потребуется в на-
чальной стадии обработки воды добавить несколько магния [по
реакции (7.6)]. Фосфаты хорошо удаляются при pH «11. По-
скольку такая высокая величина pH не соответствует минимуму
— 126 —
растворимости карбоната кальция pH = 8,3, на второй стадии
обработки следует снизить pH до 10. Для снижения pH и увели-
чения карбонатной щелочности может возникнуть необходимость
в добавлении СО2 (реакция кислоты с карбонатными ионами).
Добавление к воде извести после перевода всех би карбонатных
ионов в карбонатные и осаждения их в виде СаСО3 [реакция (7.5)],
хотя и вызывает осаждение магния [реакция (7.8)] в виде Mg(OH)2,
не уменьшает жесткость воды, а лишь заменяет магниевую жест-
кость кальциевой. Для умягчения воды в тех случаях, когда
кальций и магний содержатся в воде в сочетании с анионами
сильных кислот (например, CaSO4), в воду кроме извести необ-
ходимо добавлять соду Na2CO3. При этом кальций переводится
в осадок по обычному уравнению.
CaSO4 + Na2CO3 = СаСО3| Д Na2SO4. (7.11)
После известково-содового умягчения может потребоваться
стабилизация воды кислотой и фильтрация или отстаивание воды.
2. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СТОЧНЫЕ ВОДЫ
В ЗАМКНУТОМ ЦИКЛЕ
ВОДОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
Рассмотрим использование производственных сточных вод
в замкнутом цикле водоснабжения на примере одного предприя-
тия, которое в настоящее время потребляет 80 тыс. м3/сут воды,
а в перспективе должно потреблять 100 тыс. м3/сут. Основным
источником воды является река. Вода, забираемая из реки, под-
вергается очистке на водопроводных очистных сооружениях и
подается на завод для охлаждения оборудования и использова-
ния в технологических процессах. Отработанные воды, загряз-
ненные маслопродуктами, механическими примесями (в том числе
красками) и химическими реагентами, поступают на очистные
сооружения производственной канализации, после чего очищен-
ные сточные воды в смеси с хозяйственно-фекальными стоками
поступают на биологическую очистку на городские очистные со-
оружения. В связи с быстрым развитием города, увеличением
мощности завода, а также вследствие того, что городские соору-
жения биологической очистки уже в настоящее время практически
полностью загружены, встал вопрос о необходимости значитель-
ного расширения этих сооружений или о внедрении оборотной
системы производственного водоснабжения предприятия с ис-
пользованием очищенных сточных вод. Последняя дала бы воз-
можность резко сократить забор воды из реки и сброс производ-
ственных стоков на городские очистные сооружения и исполь-
зовать для нужд города освободившиеся мощности водопровод-
ных и биологических очистных сооружений. Было принято ре-
шение о сооружении на предприятии системы оборотного водо-
снабжения с использованием производственных сточных вод.
— 127 —
В канализацию предприятия поступают сточные воды от це-
лого ряда технологических процессов, а также воды, использо-
ванные в системах водяного охлаждения. Значительные количе-
ства загрязнений поступают в канализацию от окрасочных, мо-
ечных и гальванических установок. Основные источники по-
ступления краски в канализацию — участки грунтовки методом
электрофореза на окрасочных установках, отделения приготов-
ления красок и отделения мойки деталей. Маслопродукты содер-
жатся в стоках от моечных установок и от участков подготовки
деталей перед окраской и нанесением гальванических покрытий.
Кроме того, в канализацию периодически сбрасывается после ис-
пользования в технологических процессах и обезвреживания
ряд химических реагентов: NaOH, Na2CO3, Na.,PO4 • 12НаО,
Na2SiO3, К2Сг2О7, ZnCl2, NaNO2, трилон-Б, амбрин-163,
HNO3, НС1, CHgCOOH, триполифосфат натрия, пирофосфат
натрия, сульфанол, эмульгатор ОП-10, алкамон ОС-2, тетрапон
TEA, а также отработанная эмульсия 3-, 6-, 8- и 15%-ной
концентрации.
В состав очистной станции производственной канализации
входят следующие основные сооружения: решетки с дробилкой,
маслоотстойники, коагуляторы, шламоуплотнители, установка
по обезвреживанию шлама. Производственные стоки после реше-
ток поступают в маслоотстойники, которые состоят из шести
прямоугольных бассейнов с мостовыми скребками, имеющими
заданный во времени режим работы. Маслоотстойники имеют сле-
дующие размеры, м:
Длина..............................................40
Ширина.......................................... 6
Глубина отстойника.............................. 3,6
» жидкости................................... 2,8
Собранный со дна маслоотстойника шлам насосами с автома-
тическим управлением подается в шламоуплотнитель, а всплыв-
шие вещества по своей системе через сборный колодец насосом
перекачиваются на сжигание. Для очистки от осевшего шлама и
всплывших веществ отстойники оснащены одним общим про-
дольным очистителем, расположенным на подвижной площадке,
которая подает очиститель на подлежащий очистке отстойник.
Для перемешивания реагентов со сточными водами предусмот-
рен смеситель размером 6 X 6 X 5 м с мешалками и четырьмя
водосливами. В смесительный резервуар дозировочными насо-
сами подается бентонит, сернокислый алюминий, гидрат извести.
Перемешивание производится механически лопастной мешалкой.
Из смесителя вода подается дюкером в две распределитель-
ные камеры, откуда переливается в коагуляторы через водосливы
с подвижной верхней гранью. Коагуляторы работают по принци-
пу осветлителя со взвешенным осадком и служат для задержа-
ния взвешенных, коллоидных и частично эмульгированных орга-
— 128 —
нических и неорганических веществ. Коагуляторы имеют следую-
щие размеры, м:
Диаметр............................................27
Средняя глубина воды............................... 4,5
Глубина бассейна................................... 5,3
Сточные воды предприятия после очистки предполагается ис-
пользовать в замкнутом цикле, в основном в системах водяного
охлаждения оборудования автозавода и в некоторых технологи-
ческих процессах, не предъявляющих высоких требований к ка-
честву воды. Поэтому задачей экспериментальных работ было ис-
следование влияния загрязнений, содержащихся в стоках, очи-
щенных на существующих очистных сооружениях производст-
венной канализации, на работу теплообменного оборудования
с целью определения целесообразности и степени доочистки, а
также режима стабилизационной обработки стоков. Опыты вы-
полнялись на полупроизводственных моделях систем оборотно-
го и прямоточного водоснабжения.
В результате проведенных опытов установлено, что для тепло-
обменных аппаратов как прямоточной, так и оборотной систем при
использовании производственных стоков, очищенных на сооруже-
ниях канализации, характерно значительно более интенсивное
снижение коэффициента теплопередачи в процессе эксперимента,
чем при работе тех же систем на производственной воде без обра-
ботки. Это объясняется в основном интенсивным развитием био-
обрастаний, содержащих включения механических примесей и
карбоната кальция (последнее характерно только для оборотных
систем). Что касается коррозии, то этот процесс для трубок теп-
лообменного аппарата прямоточной системы, работающей на
очищенных сточных водах, практически нехарактерен. Однако
на индикаторных образцах, экспонированных на стенде для кор-
розионных исследований с использованием той же воды, отмечена
коррозия, хотя и менее интенсивная, чем на таких же пластинках,
бывших в контакте с природной водой.
Следовательно, для обеспечения эффективной и экономичной
работы систем оборотного водоснабжения необходима обработка
воды с целью предотвращения биологических обрастаний, кор-
розии, карбонатных отложений и доочистка воды после сооруже-
ний ОСПК от механических примесей и маслопродуктов. В свя-
зи со специфическим сложным составом сточных вод, поступаю-
щих в производственную канализацию, и в частности с содержа-
нием в ней поверхностно-активных веществ, маслопродуктов,
красок и большого числа химических реагентов, возникла необ-
ходимость в экспериментальном исследовании методов и в раз-
работке режимов стабилизационной обработки сточных вод.
Для предотвращения карбонатных отложений выбрано под-
кисление, поскольку этот метод дает возможность добиться тре-
буемого эффекта как на первом этапе эксплуатации замкнутого
5 Зак. 1536 — 129 —
цикла при значительной продувке последнего, так и в последую-
щем, когда количество добавочной воды и соответственно коли-
чество сбрасываемой воды будут сокращены до минимума. Кро-
ме того, подкисление дает возможность нейтрализовать щелочные
продукты, неравномерно сбрасываемые в канализацию, и с по-
мощью средств автоматизации стабилизировать pH стоков, по-
даваемых на очистные сооружения, что весьма важно для обес-
печения эффективной очистки.
В результате экспериментальных исследований на моделях
систем оборотного водоснабжения определена оптимальная доза
кислоты 1,5 мг-экв/л (в расчете на добавочную воду) для водного
режима систем, характерного для первого этапа эксплуатации во-
дооборотного цикла.
Для борьбы с биологическими обрастаниями, интенсивно раз-
вивающимися в теплообменных аппаратах при использовании
производственных сточных вод и являющимися основной причи-
ной снижения коэффициента теплопередачи, применено периодичес-
кое хлорирование оборотной воды и гидропневматическая про-
мывка теплообменных аппаратов. Экспериментальным путем
определен оптимальный режим хлорирования: доза хлора перед
теплообменными аппаратами 1,5—2 мг/л при четырехкратном
хлорировании в 1 сут. Поскольку протяженность территорий
предприятия достаточно велика и хлоропоглощаемость воды за
время, необходимое для подачи ее от очистных сооружений до наи-
более удаленной точки завода, достигает 13—16 мг/л, рекомен-
довано рассредоточенное хлорирование оборотной воды с исполь-
зованием как запроектированной хлораторной на очистных ка-
нализационных сооружениях, так и существующих хлораторных
на водооборотных блоках.
На моделях систем оборотного водоснабжения было произве-
дено также испытание эффективности метода гидропневматичес-
кой промывки для борьбы с биологическими обрастаниями.
Гидропневматическая промывка была осуществлена после 5 дней
работы установки на производственной сточной воде, в течение
которых коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата
снизился с 1180 до 680 ккал/ (м2 • ч • СС) [с 1368 до 788 Вт/(м2 X
Х°С)] вследствие интенсивного развития биообрастаний. В ре-
зультате гидропневматической промывки значительная часть
биологических обрастаний из трубок теплообменных аппаратов
была удалена, вследствие чего коэффициент теплопередачи уве-
личился до 1070 ккал/ (м2 • ч • °C) [1240 Вт/ (м2-°С)], что и яв-
ляется мерой эффективности гидропневматической промывки
в данных условиях. Последняя может быть применена также при
перебоях со снабжением хлором и в дополнение к хлорированию.
Производственные сточные воды предприятия после очистки
на очистных канализационных сооружениях нередко содержат
маслопродукты и взвешенные вещества в количествах, значитель-
но превышающих допустимые для повторного использования в
— 130 —
системах водоснабжения. Не исключены, да и вряд ли реально
могут быть исключены в коагуляторах выбросы взвешенного слоя,
при которых концентрации маслопродуктов, и взвешенных ве-
ществ в сточной воде, выходящей из коагуляторов, на два порядка
и более превышают допустимые значения. Этим и обусловлена
необходимость доочистки производственных сточных вод. Специ-
фичность этих вод (наличие в их составе маслопродуктов, а так-
же взвешенных веществ, представленных как механическими гру-
бодисперными примесями, так и частицами красок и грунтовок,
способными агломерироваться и образовывать трудноудаляемые
отложения в теплообменных аппаратах и трубопроводах) обус-
ловливает необходимость экспериментального исследования ме-
тодов доочистки указанных стоков.
Исследования проведены на полупроизводственных моделях
фильтров с применением синтетических фильтрующих материалов:
сипрона, поролона (пенополиуретана) и пенополистирола.
Сначала по каждому из фильтрующих материалов проводились
ориентировочные опыты, задачей которых было получение пред-
варительной информации об эффективности очистки сточных вод
от маслопродуктов и взвешенных веществ и о факторах, опреде-
ляющих эту эффективность, а также об условиях регенерации
данного материала и о факторах, определяющих этот процесс.
В дальнейшем исследования проводились с применением ме-
тодов математического планирования эксперимента. Эти методы
предполагают отказ от традиционного принципа исследования
многофакторных процессов путем варьирования|значений фак-
торов «по одному» и переход к одновременному!варьированию
всех определяющих процесс факторов по) некоторой оптимально
составленной программе. При этом результатом исследований
является многофакторная математическая модель в виде много-
члена заданной степени, которая может быть использована для
нахождения оптимальных условий проведения исследуемого про-
цесса, изучения его механизма и кинетики, а также в качестве
основы (статической модели) при автоматизации промышленных
объектов.
В табл. 7.2 приведены данные по эффективности доочистки
сточных вод на сипроновых фильтрах от маслопродуктов и взве-
шенных веществ при различных их концентрациях (скорость
фильтрации 35 м/ч, высота слоя загрузки 1200 мм, диаметр фильт-
ра 400 мм).
Анализ данных табл. 7.2 показывает, что сипрон достаточно
хорошо очищает воду от маслопродуктов и очень хорошо — от
взвешенных веществ. Тем не менее от этого фильтрующего мате-
риала для данного стока пришлось отказаться, поскольку волок-
на сипрона склеиваются частицами краски*и грунтовки, а вся
загрузка напорного фильтра со временем необратимо спрессовы-
вается в сплошную массу, почти не пропускающую воду. К тому
же износоустойчивость сипрона нельзя признать удовлетворитель-
5*
— 131 —
Таблица 7.2
Загрязняющие вещества Концентрация, мг/л
до фильтра после фильтра
Маслопродукты 53,2 34 27,2 18,7 26,8 20,6 19,4 15,3
Взвешенные вещества 27,2 18 12,4 7,6 1,8 1,6 1,2 0,8
ной, так как в период эксперимента наблюдался значительный
вынос волокон фильтрующего материала.
Экспериментальным исследованиям на поролоновых фильт-
рах предшествовала разработка их конструкций и приспособле-
ний для регенерации. Поролон (пенополиуретан) представляет
собой полимерный химически стойкий материал, структура кото-
рого характеризуется сетками из ячеек, главным образом откры-
тых и сообщающихся между собой.
Предварительными исследованиями на моделях диаметром
100 и 400 мм определена эффективность фильтров с поролоновой
загрузкой (размер частиц 5—7 мм) по маслопродуктам и по взве-
шенным веществам как при нормальной работе очистных соору-
жений, так и в периоды нарушений режима работы коагуляторов,
когда концентрация загрязнений в выходящей из них воде резко
возрастает.
Опытами, проводимыми в эксплуатации, показано, что при
нормальной работе очистных сооружений концентрация взве-
шенных веществ в воде, очищенной на фильтрах с поролоновой
загрузкой, не превышает 2 мг/л, маслопродуктов — 25 мг/л, а
это допустимо. Фильтры с поролоновой загрузкой, как уста-
новлено опытами, обладают высокой эффективностью и в период
пиковых нагрузок, наблюдающихся при нарушениях технологи-
ческого режима коагуляторов (табл. 7.3).
Следует отметить, что важнейшей функцией фильтров явля-
ется очистка производственных сточных вод от взвешенных ве-
ществ, поскольку в состав последних, как указано выше, входят
частицы красок и грунтовок, резко ухудшающие условия работы
систем водяного охлаждения и с трудом удаляемые механически.
На основании результатов предварительных экспериментов
были проведены дальнейшие исследования поролоновых филь-
тров с применением ротатабельного центрального композицион-
ного планирования эксперимента. В результате получены уравне-
ния регрессии, описывающие зависимость эффективности фильт-
— 132 —
Таблица 7.3
Загрязняющие вещества Концентрация, мг/л
до фильтра после фильтра
2070 48,4
Мясопродукты 1835 1718 39,6 45
1607 44,2
1432 38,6
3120 44,3
Взвешенные вещества 2830 2676 31,2 27,5
2638 36,8
2312 29
ра по маслопродуктам и взвешенным веществам от плотности и
высоты слоя загрузки, а также от скорости фильтрации. В данном
случае в качестве параметра оптимизации выбрана эффективность
фильтра по взвешенным веществам, поскольку по причине, ука-
занной выше, их поступление в систему оборотного водоснабже-
ния следует ограничить как можно более. Эффективность филь-
тра по маслопродуктам, рассматривается как ограничивающий
параметр.
Уравнение регрессии, характеризующее эффективность филь-
тра по взвешенным веществам, имеет вид:
У = 0,789 —0,0419X1 + 0,0485Х2 + 0,118Х3 —0,0398X1 —
— 0,0533X2 + 0,0476Х2Х3, (7.12)
где Xlt Х2, Х3 — кодированные значения скорости фильтрации, плотности
загрузки и высоты слоя загрузки.
Анализ уравнения регрессии (7.12) позволил определить за-
висимость эффективности поролоновых фильтров от основных
параметров (скорости фильтрации, плотности загрузки и высоты
фильтрующего слоя) и выявить эффекты взаимодействия. Из урав-
нения регрессии установлена оптимальная скорость фильтрации
35 м/ч. Плотность загрузки задана равной 1 (загрузка в естествен-
ном состоянии). Значение третьего фактора, определяющего эф-
фективность фильтрования,—высоты фильтрующего слоя выбрано
равным 1800 мм исходя из анализа уравнений регрессии и конст-
руктивных соображений, а также с учетом необходимого расши-
рения загрузки при регенерации.
Регенерация фильтров с загрузкой из поролона состоит из
следующих операций:
отключение из работы и сброс части воды (над верхом загрузки
должен оставаться слой воды 300—500 мм);
барботаж воздухом в течение 3 мин с интенсивностью 80 л/(с-м2);
промывка доочищенной водой снизу вверх в течение 5 мин с
интенсивностью 80 м/ч.
— 133 —
Цикл регенерации, состоящий из указанных операций, пов-
торяется четырехкратно. Кроме того, предусмотрена периодичес-
кая специальная регенерация фильтрующей загрузки водой, на-
гретой до температуры 50° С.
Аналогичные экспериментальные исследования были проведе-
ны на фильтрах с пенополистироловой загрузкой. Загрузку гото-
вили из гранул полистирола марки ПСВС ОСТ6-05-202-73, кото-
рые подвергали вспениванию путем кипячения в течение 1 мин.
Предварительные опыты по доочистке сточных вод после
коагуляторов на фильтрах с пенополистироловой загрузкой пока-
зали достаточно высокую эффективность фильтров как по масло-
продуктам, так и по взвешенным веществам и хорошую регене-
рируемость загрузки одной только водой без барботажа возду-
хом.
По окончании предварительных опытов, в результате которых
получена априорная информация о свойствах пенополистирола
как фильтрующей загрузки, было проведено детальное исследо-
вание этого материала с применением описанного выше метода
ротатабельного центрального композиционного планирования.
Одновременно изучали эффективность пенополистироловых филь-
тров как по взвешенным веществам, так и по маслопродуктам.
В результате были получены две математические модели.
Параметром оптимизации по указанным выше соображениям
является эффективность доочистки производственных сточных
вод от взвешенных веществ, определяемая отношением количеств
взвешенных веществ, задержанных фильтром и поступаюших на
него с фильтруемой водой. Основными факторами являются ско-
рость фильтрации, диаметр зерен загрузки и высота фильтрую-
щего слоя.
Полученное в результате исследований уравнение регрессии
в кодированных переменных имеет вид:
Г = 0,762 — 0,04%! — 0,191Х2 + 0,063Х3 — 0,0729X1 —
— 0,12X1 — 0,05X1, (7.13)
где A'j, Х2, Х3 — скорость фильтрации, диаметр зерен фильтрующего мате-
риала и высота слоя загрузки.
Анализ уравнения (7.13), а также построенных по нему одно-
факторных и двухфакторных зависимостей дал возможность выя-
вить характер поверхности отклика и определить оптимальные
значения факторов — скорости фильтрации и диаметра зерен
фильтрующей загрузки, составляющих соответственно 35 м/ч и
1,85 мм. Однако по соображениям удобства и надежности в экс-
плуатации фильтров, и в частности их водораспределительных
систем, рекомендовано для проектирования принять несколько
больший диаметр зерен — 2,5 мм (фракция 2—3 мм).
В период экспериментальных исследований на моделях филь-
тров установлено, что между фильтрующим слоем и дренажной
системой целесообразно расположить буферный слой загрузки
— 134 —
пенополистирола высотой 10 см, размером фракции 4—5 мм. Это
дает возможность предотвратить засорение и забивание частица-
ми фильтрующей загрузки щелей дренажной системы.
Значение третьего фактора, определяющего эффективность
фильтрования (высоты фильтрующего слоя), выбрано равным
1,8 м (не считая толщины буферного слоя) исходя из конструк-
тивных размеров фильтра и с учетом необходимого расширения
при регенерации.
Экспериментальными исследованиями установлена сущест-
венная особенность фильтров с загрузкой из пенополистирола:
при резком увеличении (на 20% и более) расхода воды, подавае-
мой на фильтр, наблюдается срыв с зерен загрузки загрязнений,
задержанных ими ранее, и проскок их в фильтрат. Поэтому при
эксплуатации следует учитывать это обстоятельство и не допус-
кать резких колебаний нагрузки фильтров.
Регенерация фильтров с пенополистироловой загрузкой сос-
тоит в отмывке ее водой. Предварительными экспериментальными
исследованиями установлено, что основными факторами, оказы-
вающими влияние на процесс регенерации, являются скорость
подачи отмывочной воды, диаметр гранул загрузки и высота филь-
трующего слоя. Процесс регенерации также был исследован мето-
дом ротатабельного центрального композиционного планирова-
ния. При этом получены математические модели процесса отмыв-
ки фильтра от взвешенных веществ и маслопродуктов. Анализ
этих уравнений дал возможность определить оптимальные пара-
метры регенерации фильтров. Установлено, в частности, что оп-
тимальная скорость подачи отмывочной воды на фильтры состав-
ляет 75—80 м/ч при продолжительности регенерации, равной
6 мин.
В период пусконаладочных работ пришлось столкнуться с
большими трудностями, обусловленными развитием биообрас-
таний в охлаждаемом оборудовании и трубопроводах. Дело в том,
что расход сточных вод, подаваемых в начальный период, был
гораздо меньше проектного (составлял 15—30%), поскольку рабо-
тали всего один или два фильтра и продолжительность движения
воды от блока очистных сооружений до ближайшего производ-
ственного корпуса достигала 2 ч. Высокая хлоропоглощаемость
производственных сточных вод при такой продолжительности
контакта не позволяла получить необходимую концентрацию хло-
ра перед производственным корпусом даже при дозе его на очист-
ных сооружениях, достигающей 10—15 мг/л. Положение ослож-
нялось еще и тем, что хлораторные на водооборотных блоках, из
которых должно было осуществляться дополнительное хлориро-
вание в замкнутом цикле водоснабжения, своевременно не были
подготовлены к пуску. Эти недостатки были устранены введени-
ем в работу трех фильтров, после чего расход производственных
сточных вод достиг 40—45% проектного. При этом концентрация
свободного хлора перед корпусом, в который подавали эти воды,
— 135 —
составляла 1,8—3,5 мг/л, что позволило в основном подавить био-
логические обрастания в охлаждаемом оборудовании.
В последующем, по мере подачи производственных сточных
вод в более удаленные от очистных сооружений корпуса, долж-
но осуществляться хлорирование в замкнутом контуре водоснаб-
жения и из хлораторной на водоблоках. На случай если этого
окажется недостаточно, для наиболее удаленных теплообменных
аппаратов предусмотрено локальное хлорирование с помощью
устройств, представленных на рис. 5.6. Поскольку эти устройства,
работающие на привозной хлорной воде, в отличие от хлоратор-
ных с жидким хлором могут быть размещены в непосредственной
близости от производственных корпусов (для этого нет противо-
показаний по условиям техники безопасности), бактерицидную
обработку воды можно распространить на все аппараты, включен-
ные в замкнутый цикл водоснабжения, с наименьшим расходом
хлора.
Параллельно с пусконаладочными работами на промышленных
сооружениях продолжаются исследования на экспериментальных
моделях с целью поиска других бактерицидов (кроме хлора), в
том числе и сточных вод гальванических и других производств.
Целесообразность поиска дополнительных бактерицидов обосновы-
вается несколькими соображениями. Во-первых, при использова-
нии одного и того же бактерицида микроорганизмы способны по-
степенно к нему адаптироваться, вследствие чего эффективность
его резко снижается и возникает необходимость в замене (хотя
бы временной) данного бактерицида другим. Во-вторых, хлор
может вызвать коррозию трубопроводов и трубок теплообменных
аппаратов. И, наконец, в-третьих, хлор является достаточно де-
фицитным реагентом, и если представится возможность заменить
его хотя бы частично каким-либо компонентом сточных вод, такой
возможностью, безусловно, следует воспользоваться.
В процессе пусконаладочных работ замкнутого цикла водо-
снабжения предприятия с использованием производственных
сточных вод уточняется состав оборудования, которое по техно-
логическим соображениям должно быть переведено на другие
источники водоснабжения.
Опыт по использованию производственных сточных вод в за-
мкнутом цикле водоснабжения рассмотренного предприятия мо-
жет быть широко использован также и на других предприятиях.
Г л а в а 8. ОХЛАЖДЕНИЕ ВОДЫ
В СИСТЕМАХ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
В промышленности и в теплоэнергетике вода расходуется в
основном для охлаждения жидких продуктов и конденсации га-
зообразных, а также для охлаждения технологического обору-
дования. При этом система водоснабжения, как правило, прини-
— 126 —
мается с оборотом воды, общим для всего предприятия или в виде
замкнутых циклов для отдельных цехов, производств или уста-
новок.
В системах оборотного водоснабжения охлаждение воды про-
изводится главным образом в градирнях. Градирни могут быть
вентиляторными, башенными или открытыми (атмосферными).
В вентиляторных градирнях воздух прокачивается с помощью
отсасывающих или нагнетательных вентиляторов. В башенных
градирнях создается тяга воздуха с помощью высокой вытяжной
башни. В открытых градирнях для протока воздуха используют-
ся сила ветра и частично естественная конвекция.
Вентиляторные градирни допускают более высокие тепловые
нагрузки и глубокое охлаждение воды, т. е. большее приближе-
ние температуры охлажденной воды к теоретическому пределу
охлаждения (к температуре атмосферного воздуха по смоченному
термометру), за счет повышенного относительного (по отношению
к расходу воды) расхода воздуха, проходящего через градирню.
На вентиляторные градирни допускается удельная тепловая
нагрузка 80—100 тыс. ккал/ (ч • м2) (93—116 Вт/м2) и выше, в то
время как на башенных градирнях эта нагрузка не превышает
(при прочих равных условиях) 80 тыс. ккал/ (ч • м2) (93 Вт/м2),
а на атмосферных — 30 — 50 тыс. ккал/ (ч • м2) (35 — 58 Вт/м2).
Зависимость охладительного эффекта атмосферных градирен от
силы и направления ветра является обстоятельством, ограничи-
вающим область их применения.
С помощью вентиляторных градирен температуру охлажден-
ной воды получают на 4—6° (в отдельных случаях на 2—3°)
выше температуры по смоченному термометру, с помощью ба-
шенных градирен — на 6—8°, с помощью атмосферных —
на 8—10°.
Величина перепада температур воды в градирнях назначает-
ся в зависимости от температуры поступающей в градирню воды.
Температура этой воды в свою очередь определяется технологи-
ческим оборудованием, в котором вода используется в качестве
хладагента. Вентиляторные градирни, в зависимости от на-
чальной температуры воды, допускают перепад температур
воды до 25° и выше. В практике использования башенных гра-
дирен (например, для тепловых электростанций) максималь-
ный перепад температур составляет 8—12°.
Вентиляторные градирни допускают более маневренное (чем
башенные) регулирование температуры охлажденной воды из-
менением частоты вращения вентилятора или угла наклона его
лопастей, а также выключением вентиляторов на отдельных сек-
циях или градирнях. Работа вентиляторных градирен по этим же
причинам более легко поддается автоматизации для поддержа-
ния температуры охлаждаемого продукта (или охлажденной во-
ды) на заданном уровне.
6 Зак. 1536
- 137 —
Для достижения одинакового эффекта охлаждения вентиля-
торные градирни требуют меньшей площади застройки по срав-
нению с другими охладителями воды и работают при более низ-
ких напорах воды, чем башенные градирни. Сооружение венти-
ляторных градирен дешевле на 50—60%, чем башенных гради-
рен, и на 35—50%, чем брызгальных бассейнов. Экономия дре-
весины при строительстве деревянных вентиляторных градирен
(против башенных) достигает 60—70%.
Однако вентиляторные градирни имеют один существенный
недостаток по сравнению с другими, который иногда ограничи-
вает их применение (например, в теплоэнергетике): для привода
вентиляторов требуется расход электроэнергии, а сами венти-
ляторы и их приводы нуждаются в постоянном уходе и ремонте
и, следовательно, требуют дополнительных эксплуатационных
затрат. Кроме того, вентиляторные градирни, особенно с нагне-
тательными вентиляторами, подвержены рециркуляции тепло-
го влажного воздуха. При использовании очищенных сточных
вод в качестве добавочных в оборотных системах вентиляторные
градирни в большей мере, чем башенные, могут создавать небла-
гоприятную санитарно-гигиеническую обстановку в районе гра-
дирен вследствие выброса капельной влаги, содержащей остаточ-
ные загрязнения в сточных водах.
Во всех случаях целесообразно выбор градирни того или ино-
го типа производить на основе технико-экономического анализа
с учетом расчетных расходов и температур воды, метеорологичес-
ких параметров атмосферного воздуха, условий размещения гра-
дирен на промышленной площадке, инженерно-геологических и
гидрологических условий и др.
/. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ И РАСЧЕТ ГРАДИРЕН
Технологический расчет необходим как при проектировании
новых градирен, так и при привязке существующих проектов
этих сооружений к местным метеорологическим условиям с уче-
том требований к температурам охлажденной воды и гидравли-
ческим нагрузкам.
Перед началом расчета новых градирен должны быть выбраны
основные их размеры, высота входных окон, тип и конструкция
оросителя, водоуловители и тип вентиляторной установки. При
привязке существующих проектов все эти параметры являются
заданными.
Конечной целью технологических расчетов является нахож-
дение числа градирен (или секций, если градирни секционные),
обеспечивающего охлаждение заданного количества воды GHI,
кг/ч (кг/с), от температуры /г, °C, на входе в градирню до темпе-
ратуры /2, °C, на выходе из нее при расчетных параметрах атмо-
сферного воздуха: температуре по сухому термометру йу, °C,
— 138 —
относительной влажности cplt % (или температуре по смоченному
термометру т1т °C), и барометрическом давлении Рй, кге/м2 (Па).
Гидравлическая нагрузка и температура воды на входе в гра-
дирню и выходе из нее обычно задается технологами производст-
ва исходя из теплотехнических расчетов охлаждаемых водой
аппаратов: конденсаторов, холодильников и др.
При этих расчетах весьма важным является определение оп-
тимальных значений температуры /пр, до которой должны охлаж-
даться производственные продукты в аппаратах, и температуры
воды Ц, выходящей из градирни. Выбор более низких значений
/цр и t2 ведет к увеличению размеров как теплообменных аппа-
ратов, так и градирен, а выбор более низкой температуры tz при
заданном значении tuv—к уменьшению размеров теплообмен-
ных аппаратов, но к увеличению размеров градирни и затрат энер-
гии на вентиляторы. Значительное повышение температуры /пр в
результате увеличения разности tax> — t2 или увеличения t2 мо-
жет повлечь за собой снижение качества продукции и уменьше-
ние производительности технологических установок. Целесооб-
разно определять /пр и t2, а иногда и расход охлаждающей воды
0ж исходя из требований технологического процесса и экономи-
ческих соображений, используя при этом способ расчета совмест-
ной работы градирен и теплообменных аппаратов в оборотном ци-
кле водоснабжения [6].
Поскольку детальные технико-экономические расчеты не всег-
да выполнимы, при выборе температур ^пр и t2 нужно иметь в ви-
ду следующее: вода может быть охлаждена в градирне до темпе-
ратуры, более низкой, чем температура наружного воздуха по
сухому термометру. Теоретическим пределом охлаждения воды
в градирне считается температура наружного воздуха по влаж-
ному термометру тг Учитывая, что с приближением расчетной
температуры воды t2 к теоретическому пределу охлаждения тх
требующийся размер градирни увеличивается, при проектиро-
вании градирен рекомендуется принимать расчетную температу-
ру t2 исходя из условия, чтобы разность t2—тх была не менее
4—5°. Разность /пр — t2 принимают равной 4—8°. Более низкие
значения разностей t2 — и Znp — /2 могут быть приняты лишь
в тех случаях, когда это диктуется жесткими требованиями техно-
логического процесса производства.
Градирни рассчитываются обычно на неблагоприятные для ра-
боты атмосферные условия — в летние месяцы года. Однако вес-
ти расчет на наиболее высокие температуры и влажности атмосфер-
ного воздуха нецелесообразно, так как они могут наблюдаться в те-
чение года лишь очень кратковременно, а чем выше расчетные тем-
пература и влажность воздуха, тем больших размеров требуется
градирня и соответственно выше затраты на ее сооружение. С другой
стороны, слишком низкие расчетные температуры и влажность воз-
духа могут привести к тому, что фактическая температура воды на
выходе из градирни будет в течение длительного периода в летнее
6*
— 139 —
(жаркое) время года превышать расчетную температуру Z2. Это по-
влечет за собой недоохлаждение производственного продукта в теп-
лообменных аппаратах. Следовательно, при выборе расчетных
параметров наружного воздуха необходимо принимать во внимание
допустимость повышения температуры воды t2 сверх расчетной из
условий технологического производства, но ограничивать период
этого повышения.
Расчет градирен по главе СНиП 11-31-74 рекомендуется произ-
водить исходя из среднесуточных значений температур fly и влаж-
ностей фх атмосферного воздуха в летние месяцы года по многолет-
ним наблюдениям в 7, 13 и 19 ч. В качестве расчетных обычно при-
нимаются такие среднесуточные тЭ1, и он, которые превышаются не
более 10 дней в году (обеспеченность непревышения 2,74%), а при
более жестких требованиях — не более 5 дней в году (обеспечен-
ность 1,37%). В работе [7] приводятся данные о среднесуточных зна-
чениях &!, тх и <рх по многолетним наблюдениям при различной
обеспеченности для некоторых районов нашей страны. Для других
районов необходимо определять расчетные среднесуточные значе-
ния этих параметров. Способ их определения приводится в работе
[7]. Исходная информация о ежедневных многолетних замерах
температур fl,1 и тх и влажностей фх в 7, 13 и 19 ч может быть полу-
чена в территориальных управлениях Гидрометеослужбы. При от-
сутствии данных о среднесуточных значениях температур и влаж-
ности для технологического расчета градирен в отдельных случаях
могут быть использованы средние значения тЭд и в 13 ч для наибо-
лее жаркого месяца, приведенные в главе СНиП П-А.6-72 «Строи-
тельная климатология и геофизика». При этом к температуре воз-
духа по смоченному термометру тх рекомендуется прибавлять 1—3°,
в зависимости от уровня требований к температуре охлажденной во-
ды по условиям технологии производства.
ПРОТИВОТОЧНЫЕ ВЕНТИЛЯТОРНЫЕ ГРАДИРНИ
На первом этапе технологического расчета определяется удель-
ный расход воздуха %, кг/кг (по отношению к расходу воды). Для
определения % вычисляются вспомогательные величины Y, U и R
по формулам:
у = (8.1)
U = __ (8 2)
^(Z''-ix-б/") ’
где ciK — 1 ккал/(кг • ° С) [4,186 кДж/(кг • К)] — удельная теплоемкость
воды; k — поправочный коэффициент:
k = \-c,Ktz/r (8.3)
— 140 —
[здесь г = t>95 ккал/кг (2491 кДж/кг) — удельная скрытая теплота парооб-
разования для воды];
где h — высота оросителя, м.
Величины удельных энтальпий, ккал/кг [кДж/кг], входящих
в формулы (8.1) и (8.2), могут быть определены по номограмме,
приведенной в работе [5], или вычислены по формуле
„ еру" Rc. в (t+ 273,2)
Z = 0,24/+ ----— (595 + 0,47/); (8.5)
Рб —<РРп
i"\ = f (^i> ф> Ро) ккал/кг при ср = 100%;
1*2 = f (^2» ф, Рб) ккал/кг при ср = 100%;
О — f ('0'1» Фт> Рб) ккал/кг при заданном фР
В формуле (8.5) Рс.в = 29,27 кгс • м/(кг °C) [287,1 кДж/(кг • К)] —
удельная газовая постоянная сухого воздуха; значения у" — плотность во-
дяных паров, кг/м3, и р" — парциальное давление водяных паров, кгс/м2
(Па), при данной температуре воды и ср = 100% определяются по табл. 8.1.
Таблица 8.1
Температура воды t, °C Давление Рп* кгс/м2 Плотность 10\ кг/м3 Температура воды t, °C Давление Рп~ кгс/м2 Плотность v'n- 1 О3, кг/м3
15 173,8 12,8 28 385 27,2
16 185,3 13,6 29 408 28,7
17 197,4 14,5 .30 433 30,3
18 210,3 15,4 31 458 32,1
19 22.3,9 16,3 32 485 .33,9
20 238,3 17,3 33 513 35,7
21 253 4 18,3 34 542 37,6
22 269,4 19,4 35 573 39,6
23 286,3 20,6 | 36 606 41,8
24 304 21,8 37 640 44
25 323 23 38 676 46 3
26 343 24,4 39 713 48,7
27 363 25,8 40 752 51,2
Выражение 61" вычисляется по уравнению
6/" = (и + i2-2i^)/4, (8.6)
где определяется по формуле (8.5) или по номограмме [5] при /ср = (/i +
+ /2)/2, ср = 100% и ре.
Входящие в формулу (8.4) величины т и А являются показа-
телем степени и коэффициентом в формуле объемного коэффициента
массоотдачи ₽хв, отнесенного к разности влагосодержаний;
= AqJ”. (8.7)
— 141 —
Коэффициент массоотдачи
является характеристикой ох-
i лаждающей способности ороси-
§ I тельного устройства — основно-
го элемента градирни, в кото-
ром происходит охлаждение
воды. Показатель степени т и
коэффициент А являются по-
стоянными для определенной
конструкции оросителя, они вы-
числяются по данным эксперн-
ментов, проводимых на градир-
нях в период их эксплуатации
’ г или на опытных установках гра-
дирен, оснащаемых сменными
оросителями. Исследования в
производственных условиях
дают более надежные результа-
ты, однако их проведение со-
пряжено со значительными за-
труднениями, связанными с из-
менением расходов воздуха и
воды, а также температур воды,
необходимым при таких исследо-
ваниях.
Значения коэффициента А и
показателя степени т прини-
:ите- маются В ЗЗВИСИМОСТИ ОТ ВЫ-
бранной конструкции оросителя
по табл. 8.2 и рис. 8.1. На этом
рисунке изображена только часть оросителей, по которым получе-
ны данные о величинах А и т. Более полные данные можно найти
в работах [7, 26 и др.].
По рис. 8.2—8.4 определяется вспомогательная величина х в
зависимости от У и 7?, вычисляемых по формулам (8.1) и (8.4). Эти
графики составлены для значений т, равных 3, 5 и 7. Для промежу-
точных значений т величина х определяется по линейной интер-
поляции.
Далее вычисляется X по формуле
! л = U/x. (8.8)
На втором этапе технологического расчета определяется плот-
ность орошения q.K, кг/ (м2 • ч) [кг/ (м2 • с)]:
«в + ьи & - с„ <?;1! - -А- о, (8.9)
— 142 —
где а в- ; (8.10) в 36002.2gy« v ’ hB=— - —У (8.11) yl Uop-36002-2^ 1-2/ Св==_^__^; (8.12) 1-2 Yi
здесь = koP h + 0,000025/ + 0,0002; (8.13) t2 ?без об “Г ^Сух.ор h + 0,1/ + ^водоул- (.8.14)
Коэффициенты du, Л и М принимаются по табл. 8.3. Плотность
воздуха Yj может вычисляться по формуле
Р5 Т1 Рп
Л'Х /?с. в(01 + 273,2)
г Ф1 Тп-
(8.15)
Значения коэффициента аэродинамического сопротивления су-
хого оросителя Ccyx.oj, и коэффициента koP, учитывающего допол-
нительные аэродинамические сопротивления от стекающей по оро-
Таблица 8.2
Тип оросителя 11омер схемы на рис. 8.1 Высота оросителя h, м ^сух.ор, М-1 w°° м~‘ Расход материала на 1 м3 оросителя, м3/м3
Пленочный —деревян- ные прямоугольные бруски, поставленные на ребро:
№ 1 / 3,7 0,514 0,223 2,34 0,082 0,138
№ 2 2 4,7 0,333 0,513 1,19 0,046 0,143
Капельный — деревяп-
ные прямоугольные бруски:
№ 1 3 3,7 0,308 0.341 8,92 0,052 0,0433
№ 2 4 4,7 0,258 0,399 5,83 0,029 0,0247
№ 3 4 3,7 0 265 0,519 5,83 0,029 0/247
К» 4 Капельно-плен очный: j 4 2,7 0,31 0,544 5,83 0,029 0,0247
№ 1 5 4,7 0,324 0,733 4,64 0,086 0,0377
№ 2 О 3,7 0,284 0,532 4,64 0,086 0,0377
Асбестоцементный од- ноярусный с верти-
кальными волнистыми
листами и расстояни- ями между ними:
№ 1, 6 15 мм 6 2,8 0,468 0,657 6,75 0,49 0,421
№ 2, 6-25 » 6 2,8 0,441 0,663 4,36 0,37 0,293
№ 3, 6 = 35 »' 6 2,8 0,368 0,518 3,6 0,26 0,225
№ 4, 6 = 45 »' 6 2,8 0,345 0,527 з,н 0,13 0,1825
- 143 --
сителю воды, принимаются по табл. 8.2 в зависимости от выбран-
ной конструкции оросителя. Значения этих двух коэффициентов
определены по данным аэродинамических испытаний оросителей на
опытных установках градирен. Значения коэффициента аэродина-
мического сопротивления градирни без оборудования (без ороси-
теля и водоуловителя) £без об определяется по рис. 8.5 в зависимо-
сти от отношения площади воздуховходных окон градирни /ок к пло-
щади градирни (секции) в плане /ор. Коэффициент аэродинамичес-
кого сопротивления водоуловителя определяется по рис. 8.6. и
табл. 8.4. " - -в*»*»- г»
Буквой I в формулах (8.13) и (8.14) обозначена половина длины
воздухораспределителя; при двухпоточной градирне (входные окна
для воздуха с двух противоположных сторон) величина I рав-
на 2/д ширины градирни, при однопоточной—г/2 ширины градирни.
I Величину q.v. в уравнении (8.9) можно найти любым методом, при-
веденным в справочниках по математике. Наиболее удобным яв-
— 144 —
X
ляется метод с использованием тригонометрических функций. Ни-
же, в примере 8.1 приводится последовательность вычисления qm
этим методом.
По величине qm, найденной из уравнения (8.9), вычисляется
число градирен:
N-.—--------- (8.16)
fop
Для проверки соответствия аэродинамических сопротивлений
градирни напору, развиваемому вентилятором, вычисляется пода-
ча вентилятора:
о; = Wop/Tr
(8-17)
Если окажется, что вычисленная таким образом подача вентиля-
тора будет равна номинальной или близка к ней, то аэродинамичес-
кое сопротивление градирни считается соответствующим напору
вентилятора. Отклонение от номинальной подачи допускается в
— 145 —
пределах ±20%. При превышении этого предела рекомендуется
выбрать другую градирню для расчета или в данной градирне из-
менить размеры ее в плане, размеры входных окон, тип оросителя,
водоуловителя и принять к установке другой вентилятор.
Пример 8.1. Требуется определить необходимое число градирен при
следующих расчетных данных: G>K = 5900 103 кг/ч; = 35° С; /2 = 25° С;
= 23° С; <рх = 0,6; рб = 1,02 • 101 кгс/м2 = 750 мм рт. ст. Градирня
вентиляторная, отдельно стоящая: /ор = 380 м2; h ~ 4,7 м; ороситель ка-
пельно-пленочный № 1 — по табл. 8.2 А — 0,324 м~*, т = 0,733, /?ор =
= 0,086 • 10 “3, ?сух.ор = 4,64 м-1; водоуловитель № 3 — по табл. 8.4
Еводоул = 12.5; вентилятор «Нема» — по табл. 8.3 Л = — 1,7 • 10-12,
М == 5,78 • 10-°, dB 12,6; по рис. 8.5 при /ок//ор 0,42, (фе.з о0 = 20;
Z = 4,7 м.
Решение. При 0, — 23° С по табл. 8.1: р2 - 286 кгс/м2, у" = 20,6 X
X 10~3 кг/м3. По формуле (8.15) yL -- 1,17 кг/м3.
По табл. 8.1 при /, З53 С: р" — 573 кгс/м2, у" ---- 39,6 10~3 кг/м-3;
при /2 - 25 С: р" -- 323 кгс/м2, у" 29 • 10-® кг'м3; при /ср =- 30° С:
р" — 433 кгс/м2, у" - 30,3 10-3 кг/м3.
— 146 —
По формуле (8.5): i'{ = 31,2 ккал/кг, i'^ — 18,4 ккал/кг, = 24 ккал/кг,
ф — 11,99 ккал/кг.
Определяем остальные необходимые параметры:
по формуле (8.6) 61" — 0,4 ккал/кг;
по формуле (8.1) У = 3,13;
по формуле (8.3) k= 0,957;
по формуле (8.2) U = 1,74;
по формуле (8.4) R — 0,762;
но рис. 8.4 х 1,89;
по формуле (8.8) Z = 0,92;
ио формуле (8.13) = 0,722 • 10~3;
по формуле (8.14) ф, = 54,78;
по формуле (8.10) ав = 1,7556 • 10~12;
по формуле (8.11) Ьа = 259,7 10~9;
по формуле (8.12) св = 1439,2 • 10~6.
Кубическое уравнение (8.9) с численными значениями коэффициентов
имеет вид:
1,7556 • 10-12 + 259,7 • lO-9^ — 1439,2 10-e9)K — 12,6/1,2 = 0.
/ — башенные градирни; 2 — до и после венiнлятора: 3 — цпоннь отделыю стоящие градирни с конфузором и диффузоров - квадратные секционные градирни; 4 — прямоугольные сек je градирни (отношение сторон 1 : 1,5)
- 147 —
55 10 10 50
2
Рис. 8.6.
3
Следует иметь в виду, что коэффициенты ав, Ьв и dB при вычислении
pt и р2 подставляются с тем знаком, который стоит перед этими коэффициента-
ми в уравнении (8.9):
= _ bBcB dB (259,7-10~9)з __
Pl 27al 6а2 + 1,2-2ав 27 (1,7556-10~12)з
259,7-10~9 (-1439-10~6) ________—12,6___________
— 6 (1,7556-10—12)а + 1,2-2-1,7556-10-12 ~
= 137,03-Ю12;
_ ЗавcB—bl 3-1,7556-10~12( —1439,2-10~6) —(259,7-10~9)2
Р2~ 9(4 = 9-(1,7556-ю-12)2 ~
= — 27,04-108;
£> = (137,03-1012)2 + ( —27,04-103)з =—1,004-1027 < 0;
г = ± 1/| —27,04-IO» | = 5,2-104;
cos <р — Pi/r3= 137,03-1012/(5,2- 104)з = 0,9745;
<р = 13°00'; <р/3 = 4°20';
г = 2/ -cos (60° —(р/3) =58,656-103;
<7ж=г- ^- = 58,656-103- 9,35-103 кгЗ/(м2-ч).
Зав 3-1,7о5Ь-Ю-*2
По формуле (8.16)
5900-103
W —------------- =1,66 (градирен).
9,35-103.380 ' 1
Принимаются к установке две градирни.
По формуле (8.17)
0,92-9,35-103.380
G"- —-----------------
в 1,17
2,8-106 мз/ч.
Номинальная подача вентилятора 2,7 • 10s м3/ч воздуха. Отклонение
от номинальной подачи составляет 4?о, что можно считать допустимым.
В целях упрощения расчета кубическое уравнение (8.9) можно
заменить квадратным уравнением, принимая при этом плотность
орошения при вычислении аэродинамических сопротивлений эле-
ментов оросителя равной 104кг/ (м2 • ч):
X2 Р
' ор
Т1
(С.-ю41:?) Т1
36002-2gf2p
Л
L2
Л1 Х£,р л dB _________
♦ П Чщ . п и'
7*
— 148 —
Таблица 8.3
Тип вентилятора Частота Мощность У гол
вращения, двигателя, установки лопастей, л- ю12 ЛГ 10®
мин""1 кВт град
380 10 12 —397,77 —28,84 16,739
1ВГ25 380 10 16 -436,25 1,89 19,149
380 10 20 —476,03 61,95 14,722
178 32 12 — 199,64 155,14 — 15,507
1ВГ50 178 32 15 — 152,75 124,48 —9,049
178 32 20 — 169,33 157,33 —17,95
12 —43,31 75,21 —18,517
2ВГ70 — — 16 —23,59 38,73 2,013
— — 20 —20,77 42,96 —2,697
«Нема» с
НИЖНИМ 95 250 25 — 1,74 5,78 12,597
приводом
118 10 —2,21 0,81 21,9931
1ВГ104 118 — 15 — 1,45 0,26 26,0674
118 — 20 —0,91 — 1,26 31,5888
118 — 25 —0,63 — 1,36 32,5739
Таблица 8.4
Номер
схемы на Гип водоуловителя ^водоул
рис. 8.6
1 Деревянный двухрядный ( ТИПОВЫХ проектах 4,7
СВКП, шифр ДВР-1 и ДВР-2)
2 Деревянный двухрядный (ДВР-3) 7,4
3 Деревянный однорядный с каплеотбойником 12,5
Таблица 8.5
№ графика <Р1 Д/, град № графика <Р1 Af, град
1 5 7 5
2 0,3 10 8 0,7 10
3 15 9 15
4 5 10 5
5 0,5 10 11 0,9 10
6 15 || 12 15
— 149 —
В ряде случаев при отсутствии надежных данных о сопротивле-
ниях отдельных элементов градирни или характеристики вентиля-
тора можно прикидочный расчет градирни производить исходя из
номинальной подачи вентилятора G"n.
При этом на втором этапе расчета плотность орошения опреде-
ляется не из уравнения (8.9), а непосредственно из формулы (8.17):
По изложенной выше методике составлена программа расчета
для ЭВМ.
Для удобства расчета или привязки к местным климатическим
условиям целесообразно для каждого конкретного проекта градирен
составить 12 графиков, устанавливающих зависимость плотности
орошения qiK от температуры воды на выходе /2 и температуры атмо-
сферного воздуха Каждый из этих графиков будет относиться
к определенным значениям cpj и А/. Графики рекомендуется состав-
лять при величинах и А/, охватывающих практически все их зна-
чения, встречающиеся в градирнях (табл. 8.5).
ПРОТИВОТОЧНЫЕ БАШЕННЫЕ ГРАДИРНИ
Приведенная выше методика технологического расчета противо-
точных вентиляторных градирен может быть использована и для
расчета противоточных башенных градирен. Но в этом случае рас-
четное кубическое уравнение имеет следующий вид:
?19ж+^ж-^ = 0, (8.19)
где
dб = з.б2-Ю3 Hg [7.Pi-’gM2 / Pa-lg^Vj . (8 20)
х2 L\ щ / \ / 1
здесь Н — высота башни градирни от верха входных окон, м;
*2 = 0 + '-^ • (8.21)
«А
Значения pt и сд принимаются по табл. 8.6 в зависимости от
влажности атмосферного воздуха <рх; значения р2 и 8г — по этой же
таблице при <р — 100%.
Башенные градирни большой пропускной способности проекти-
руются Ленинградским отделением Теплоэлектропроекта. Каждый
типовой проект имеет свои расчетные характеристики или графи-
ки охлаждения воды, разработанные ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева.
Таблица 8.6
Коэффициент Значения коэффициентов при cpj, %
100 9 0 80 70 60 50 40 30
4.69 1.72 4,75 1,78 4,81 4,84 4,76 4,69
Pl 6,66 6,68 6.68 6,69 6,7 6,69 1 6,56 6,44
— 150 —
Технологические расчеты для построения этих графиков выполне-
ны в соответствии с «Технологическими указаниями по расчету и
проектированию башенных противоточных градирен для тепловых
электростанций и промышленных предприятий» (ВСН 14-67. М.,
Энергия, 1971).
— 151 —
Рис. 8.8. График охлаждения воды для открытой капельной градирни
1—з—кривые поправочных коэффициентов
Графики охлаждения устанавливают зависимость температуры
охлажденной воды t2 ст температуры атмосферного воздуха по су-
хому термометру и относительной влажности атмосферного воз-
духа ф! при заданном перепаде температур воды At и плотности
орошения <7,к. К каждому такому графику придается график попра-
— 152 —
вок к температуре охлажденной воды. На рис. 8.7 в качестве приме-
ра приводятся графики охлаждения для градирен ЛОТЭПа пло-
щадью орошения 3200 м2.
Пример 8.2. Требуется определить температуру охлажденной воды %
ПРИ 4ж= 7м3/(м2 • ч), А/ = 8°, О, — 24° С и <рг = 80%.
Решение. По рис. 8.7, а при <дк=6 м3/(м2-ч), А/—10°, fl'1=24°C и <р1=8О?6
величина 1'2 30,8° С. По графику поправок при А/ 8° и "Д =- 24° С
величина <%2 — — Г. Следовательно, % - 30,8 — 1 — 29,8° С.
По рис. 8.7, б при qm — 8 м3/(м2-ч), At ~ 10°, 1% ~ 24° С и <рх — 80%
величина t2 = 32,7° С. По графику поправок при At = 8° и '01 = 24°С ве-
личина 6/2 = — 1° С. Следовательно, % = 32,7 — 1 = 31,7° С.
С помощью интерполяции температура охлажденной воды при условиях
примера будет: t2 — 30,75° С « 30,8° С.
АТМОСФЕРНЫЕ ГРАДИРНИ
Атмосферные градирни, как правило, применяются для малых
расходов воды. Они могут быть капельными и брызгальными.
Охладительный эффект этих сооружений во многом зависит от ско-
рости и направления господствующего ветра. Расчетная скорость
ветра принимается по СНиП П-А.6-72. При размещении их на пло-
щадке промышленного предприятия требуется особо учитывать
предохранение других сооружений и дорог от льдообразования и
тумана. Технологический расчет этих градирен осуществляется обыч-
но по графикам охлаждения, полученным на основании эксперимен-
тальных исследований их в натуре. При этом расчете учитывается
скорость ветра и, число ярусов п, температура атмосферного возду-
ха по смоченному термометру тх и высота градирни Hw. На рис. 8.8
приведен график охлаждения для открытых градирен площадью
от 4 до 80 м2. Площадь градирни определяется по формуле
F = (8.22)
Значения поправочных множителей а#, ат и ап приведены на
том же рис. 8.8.
2. воздействие охладителен на окружающую среду
При использовании городских и производственных сточных вод
в системах оборотного водоснабжения с охладителями—гра-
дирнями и брызгальными бассейнами — особое внимание уделяется
санитарно-гигиеническим требованиям к воде.
Из охладителей воды неизбежен вынос влаги в виде капель или
гидроаэрозолей. Эти капли и гидроаэрозоли содержат в себе какую-
то часть остаточных загрязнений сточных вод минерального и ор-
ганического происхождения, а также бактерии и вирусы, которые
присутствуют в оборотной воде. Согласно главе СНиП П-31-74, на-
пример, вентиляторные градирни, оборудованные каплеуловите-
лями, выбрасывают в атмосферу 0,2—0,5% расхода оборотной воды.
Правда, согласно данным исследований ВНИИ ВОДГЕО, в лабо-
— 153 —
раторных условиях этот вынос в типовых градирнях Союзводока-
налпроекта не должен превышать 0,05%. Такой вынос обеспечива-
ется установкой более совершенных конструкций «оптически плот-
ных» (при виде сверху) водоуловителей (см. рис. 8.6) и размещени-
ем их в сечении градирни, имеющем максимальную площадь. Мож-
но создать водоуловители, снижающие вынос капельной влаги до
тысячных и даже десятитысячных долей процента. Однако в этих
случаях они будут создавать довольно большие аэродинамические
сопротивления, что будет связано со значительными расходами
электроэнергии на подачу воздуха вентиляторами градирен. При
выносе 0,05% расхода оборотной воды водоуловители уже создают
аэродинамические сопротивления в размере 10—25% полного на-
пора, развиваемою вентиля горами.
Исходя из сказанного выше можно утверждать, что санитарно-
гигиеническая обстановка в районе градирен при использовании
сточных вод в качестве добавочных в системы оборотного водоснаб-
жения будет определяться двумя параметрами: глубиной или сте-
пенью очистки сточных вод и величиной выноса капельной влаги.
Степень очистки сточных вод определяется составом очистных соо-
ружений, величина выноса капельной влаги — конструкцией во-
доуловителей. Одного и того же санитарно-гигиенического состоя-
ния в районе градирен можно достигнуть либо делая глубокую и
сложную очистку сточных вод при упрощенной конструкции водо-
уловителей, либо, наоборот, упрощая схему очистки стоков и при-
меняя более сложную конструкцию водоуловителя.
Ранее, когда в качестве добавочной использовалась природная
(а не сточная) вода, не содержащая вредных веществ, воздействию
градирен на окружающую среду не уделяли внимания. В настоящее
время для получения данных о капельном выносе из градирен и
воздействии его на окружающую среду производятся большие ис-
следовательские работы. В качестве примера в табл. 8.7 приводят-
ся результаты измерения диаметра капель, их числа и массы на вы-
Таблица 8.7
Диаметр капель, мкм Число капель, % Масса капель данно го размера, % Диаметр капель, мкм Число капель, % Масса капель данного размера, %
22 24 0,43 174 0,65 5,81
29 36 1,49 300 о,н 5,04
44 26 2,76 450 0,027 4, 17
58 6,3 2,09 600 0,011 4,01
65 4 1,86 750 0,0055 4
87 1,4 1,56 900 0,0033 4,03
108 0,67 1 ,43 1050 0,0024 4,57
120 0,43 1 ,26 1200 0,0019 5,46
132 0,28 1 ,09 1350 0 0016 6,8
144 0,26 1 ,32 2250 0,00095 17,99
2400 0,001 21,83
— 154 —
Вынос массы нашьной Влаги из градирни у %
Рис. 8.9. Вынос из градирни (при скорости ветра 9 м/с) капель диаметром
/ —2491'—2500 мкм; 2—1350 мкм; 3—120’0 мкм; 4—Ю50 мкм; 5 — 900 мкм; 6 — 750 мкм;
7 — 600 мкм; Ь—150 мкм
ходе диффузора восьмисекционной вентиляторной градирни с рас-
ходом воды 3500 м3/ч 1441. Измерения производились при скорости
ветра 9 м/с, температуре атмосферного воздуха 17,2° С и относитель-
ной влажности 50%. Общий вынос капельной влаги составлял лишь
0,004% расхода оборотной воды.
Из табл. 8.7 следует, что наибольшее количество влаги выносит-
ся из градирен в виде капель: по массе — диаметром более 1 мм,
а по числу — диаметром от 22 до 100 мкм.
Кроме того, измерялись число и размеры капель, выпадающих
на различных расстояниях от градирен. Данные этих опытов при-
ведены на рис. 8.9, из которого видно, что 68,7% выносимой капель-
ной влаги падает на землю на расстоянии 100—120 м от градирни.
Остальные 31,3% остаются в атмосфере в виде тумана или полностью
испаряются в атмосферном воздухе и уносятся на значительное
расстояние от градирни. На первых 45 м выпадает 50% всех капель.
Капли с первоначальным размером до 100 мкм составляют 12%
общей массы капель, причем если первоначальный их размер (на
выходе из диффузоров) составлял 450 мкм, то, испаряясь в атмосфе-
ре, капли уменьшаются до 100 мкм и менее, перед тем как упасть на
землю. При понижении температуры воздуха до 1,1° С и повыше-
нии относительной влажности до 80"» капли падают на более близ-
ком расстоянии от градирни вследствие снижения скорости их
— 155 —
испарения (см. рис. 8.9, пунктирные линии). При холодном атмо-
сферном воздухе большее количество капель диаметром 450 мкм
падает на землю.
Воронежский технологический институт (ВТИ), Ленинградс-
кий гидрометеорологический институт (ЛГМИ) и Институт общей
и коммунальной гигиены им. А. Н. Сысина (ИОКГ) при участии
ВНИИ ВОДГЕО1 произвели в натуре замеры выноса капельной
влаги из градирен площадью 1200 м2. Градирни оборудованы дере-
вянным двухрядным водоуловнтелем жалюзийного типа неудачной
конструкции. Водоуловитель ее разделен на три кольцевые зоны
в плане. В первой зоне, примыкающей к центру градирни, верхний
ряд лопаток установлен вертикально, во второй зоне — под углом
60° к горизонту и в третьей — под углом 45°. Нижний ряд лопаток
во всех зонах имеет одинаковый наклон — 60°.
Для определения общего выноса капельной влаги из градирни
был использован метод трассера, добавляемого в оборотную воду.
В качестве трассера был принят флуоресцеин. Величина уноса
GyH, м3/ч, определялась по количеству трассера т, кг, введенного в
оборотную воду, и по снижению его начальной концентрации Сн,
мг/л, до конечной Ск, мг/л, через определенный промежуток вре-
мени т:
q In Сц In Cjj tn* 1000 (g 23)
У т Ск
В начале эксперимента была сделана большая продувка и от-
ключены все отборы воды из оборотного цикла, затем введено 0,7 кг
флуоресцеина в оборотную воду. Начальная его концентрация
составляла 0,068 мг/л, конечная — 0,0574 мг/л. Опыт длился
120 ч, суммарный расход оборотной воды был 10 300 м3/ч. При этих
данных вынос составлял 0,17% расхода оборотной воды.
К* В пределах градирни была снята эпюра концентраций капельной
влаги над водоуловнтелем (рис. 8.10). Из этой эпюры видно, что на
первую зону водоуловителя (где верхний ряд лопаток жалюзи ус-
тановлен вертикально) приходится 43% общего количества выноси-
мой из градирни влаги, хотя площадь этой зоны составляет лишь
10% всей площади водоуловителя. Во время опытов была замерена
также интенсивность выпадения капель на поверхность земли. На-
блюдения в натуре и анализ полей интенсивности выпадения ка-
пель в районе градирен показывают, что зона капельной влаги на
поверхности земли имеет форму эллипса с большей осью, проходя-
щей через центр градирни в направлении ветра. Размеры этой зо-
ны зависят от скорости ветра, температуры и влажности атмосфер-
ного воздуха, степени турбулентности воздуха в приземном слое
и, конечно, от высоты расположения выходного сечения диффузора
градирни. По данным одного из опытов ЛГМИ, максимум интенсив-
ности выпадения капель составлял 0,0398 мм/ч, при этом макси-
муме концентрация влаги в атмосферном воздухе на высоте 1,5 м
1 См. сноску на crp. 120.
— 156 —
Рис. 8.10. Схема верхнего строения градирни СК-1200 и эпюра концентраций капельной
влаги в мерном сечении
I—11I — зоны
над землей составляла около 0,006 мл/м3. Пересчет интенсивности
выпадения капель на их концентрацию в воздухе был произведен
по корреляционному^графику, полученному ЛГМИ на основе экс-
периментов.
В реальных условиях при совмещении шлейфов выбросов ка-
пель от нескольких градирен можно ожидать большей интенсивно-
сти выпадения и концентрации капель в воздухе. Для ориентиро-
вочного определения максимальной интенсивности осаждения ка-
пель омакс, мм/ч, в районе градирен по данным замеров общего уно-
са можно воспользоваться формулой
<тмакс = ^ун (8.24)
(коэффициент k, по данным ВТИ, можно принять равным 1 • 10-4).
Данные измерения дисперсного состава капельной влаги в воз-
духе свидетельствуют о снижении крупности их по мере удаления
от градирни. На расстоянии двух высот градирни (около 80 м), в
зоне максимальной концентрации капель в воздухе, диаметры их
составляли примерно 0,2—0,6’мм; на расстоянии 200 м крупность
капель понижалась до 0,05—0,2 мм.
Для санитарно-гигиенической оценки состояния атмосферного
воздуха в районе градирен имеет значение не только содержание
капельной влаги, но и концентрация в ней токсичных компонентов,
— 157 —
и концентрация аэрозолей этих компонентов, образующихся в ре-
зультате испарения капель.
Поскольку капельная влага, выбрасываемая из градирен, пред-
ставляет собой оборотную воду, то при подпитке систем оборотного
водоснабжения сточными водами концентрация токсичных ком-
понентов в капельной влаге и в аэрозолях будет обусловливаться
содержанием их в подпиточной воде (т. е. в сточных водах), а так-
же добавкой ингибиторов коррозии в оборотную воду. Санитарно-
гигиеническая оценка воздуха, загрязненного токсичными компо-
нентами, содержащимися в каплях воды и в аэрозолях, проводит-
ся на основании сравнения с предельно допустимыми концентра-
циями этих компонентов в воздухе. Для санитарно-гигиенической
оценки степени загрязнения аэрозолем того или иного компонента
ИОКГом принято определять максимальную концентрацию его с
вероятностью появления в 1 % за годовой период.
В период экспериментов в систему оборотного водоснабжения вво-
дился ингибитор для защиты от коррозии теплообменного обору-
дования в виде хром-цинк-фосфатной смеси. Поскольку хром
является токсичным компонентом и ПДК его в атмосферном возду-
хе достаточно низкая (в расчете на СгО3 она равна 0,001 мг/м3), до-
за этого ингибитора принималасьгминимально возможной: в рас-
чете на СгО3 она составляла 1,72 мг на’ 1 л'оборотной воды. При
максимальной подаче воды на градирню (10 000 м3/ч) и номинальной
подаче воздуха (10 млн. м3/ч) концентрация ингибитора СгО3
в воздухе непосредственно на выходе из градирни при указанном
выше фактически наблюдаемом выносе капельной влаги (0,17%)
будет составлять 0,0292 мг/м3. При замене существующего на гра-
дирне водоуловителя неудачной конструкции современным во-
доуловителем, при котором вынос капельной влаги будет составлять
не более 0,05% расхода оборотной воды, концентрация СгО3 в воз-
духе на выходе из градирни будет составлять 0,00086 мг/м3, что уже
меньше ПДК. Если же учесть разбавление этого воздуха, когда
он будет рассеиваться в атмосфере и достигнет поверхности земли,
то эта концентрация уменьшится еще в несколько раз.
Глава 9. ЭКСПЛУАТАЦИЯ СИСТЕМ
ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
(МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ,
ТРУБОПРОВОДОВ И ГРАДИРЕН)
От эффективности работы сисюм оборотного водоснабжения в значитель-
ной мерс за виси г и рои из u in 1 е и.и< :С г и обе 1 \ иваомых ими технологических
устав о в о к, каченiво по i\ "ас \п и о в ро i у а । а. рас\о i сырья и электроэнергии.
Качество paooiu систем паре [елчек'я cociohhhcm теплообменных аппаратов,
градирен, наеоеион) оборс/Н'ваинд и соединяющих тпубоцвоводов.
I э8 - ~
Рис. 9.1. Зависимость коэффициен-
та |С11лошредачи oi ю.-шшиы слоя
кариоиатных отложений
От.ЮЖСНИЯ И ОорПС-ОПИЯ.
образующиеся па поверхностях
теплообмена, обладают, как
правило, горал то меньшей теп-
лопроводностью, чем сталь и
тем более латунь, применяемые
для изготовления трубок тепло-
обменных аппаратов, п поэтому
приводят к резкому снижению
общих коэффициентов ыш.зе-
иередачп последних, чю очевидно на ь]»ив<>>1 зависимости коэффициента тепло-
передачи oi lo.TiiiiiiiH слоя карбонашых ыложепий (рис. 9.1). Ухудшение
теплопередачи можс1 приводить к снижению производительности технологиче-
ских установок, к нарушению технологического процесса и ухудшению качест-
ва продукта, а также к потерям сырья и продукта. Так, в некоторых процес-
сах химической промышленности недостаточное охлаждение продукта, вызван-
ное образованием отложений в теплообменных аппаратах, приводит к полиме-
ризации продукта и полному нарушению технологического процесса, что свя-
зано с большими материальными потерями. В нефтеперерабатывающей про-
мышлспности недосниочпш охлаждение продута приводит к снижению про-
изводи ।елмюстп техцольгическпх установок, и к неполной конденсации и
большим потерям низкое пьяших фракций.
Кроме того, отложения и обрастания в теплообменных аппаратах и тру-
бопроводах приводят к повышению гидравлического сопротивления системы и,
следовательно, к перерасходу электроэнергии на перекачивание оборотной
воды.
Большие осложнения в эксплуатации наблюдаются также при недостаточ-
но эффективной работе градирен, что может быть обусловлено неравномерным
распределением воды (повреждениями водораспределительной системы), раз-
рушением оросителя, образованием на нем солевых отложении пли биологиче-
ских обрастаний, увеличивающих аэродинамическое сопротивление градирни,
и интенсивным образованием осадка в резервуарах градирен.
Для обеспечения нормальной работы систем оборотного водоснабжения
необходимо систематически следи и. за состоянием теплообменных аппаратов,
градирен, насосного оборудования и трубопроводов и проводить своевремен-
ную нх очистку.
L ОЧИСТКА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
Наиболее трудноудалясмымп отложениями, образующимися в теплооб-
менных аппаратах, являются солевые, удаление продуктов коррозии требует
значительно меньших уеилпй. и лете всего удаляются биологические обра-
стания.
Методы очистки теплообменных аппаратов подразделяются на механиче-
ские, гидравлические, гидропнезматические, гидромеханические и химические.
ААеханический метод получил наибольшее распространение. Состоит этот
метод в следующем. Теплообменный аппарат вскрывают и каждую трубку в
отделы) ос in чистя г шомполом, укрепленным на штанге и приводимым в дви-
жение рабочим. Пии наличии твердых, трудноудаляемы.х отложений чистку
трубок производят сверлом, укрепленным на штанге и приводимым во враща-
тельное движение с помощью электрического, гидравлического или пневмати-
ческого и। H.Bo.ia. Прнм( пяются также очищающие насадки других типов: про-
волочные пли пластмассовые ерши, решиовыс или пластмассовые кольца,
шарошки и т. п. После разрушения и удаления отложений трубки продувают
сжатым воздухом или промывают водой.
— 159 —
Механическая очистка дает возможность практически полностью удалить
из трубок любые отложения, однако способ этот очень трудоемок и требует
выключения теплообменников из работы, что приводит к снижению производи-
тельности технологических установок. К. тому же механическая очистка, осо-
бенно сверление, приводит к повреждению трубок.
Гидравлические способы очистки основаны на использовании кинетической
энергии потока воды, движущейся по трубкам со скоростями, значительно пре-
вышающими рабочие скорости.
Гидравлическая очистка в простейшем виде осуществляется без выключе-
ния из работы и открывания теплообменного аппарата. Для промывки исполь-
зуется вода из системы водоснабжения, в которую включен данный аппарат.
Повышение скоростей движения воды в теплообменнике достигается отклю-
чением его от сборного коллектора и свободным сливом отработавшей воды в
канализацию. Способ достаточно прост и не требует специального оборудова-
ния, однако оп пригоден для очистки теплообменников только от легкоудяляр-
мых отложений и применение его связано с потерями большого количества
воды.
Другой разновидностью гидравлических способов является очистка теп-
лообменников с помощью так называемых гидравлических пистолетов. Очистка
каждой трубки производится в отдельности струей воды при сравнительно
небольшом давлении ее перед пистолетом. Способ пригоден для очистки тепло-
обменников от легкоудаляемых отложений. Его недостатки: необходимость
отключения аппарата, чистка каждой трубки в отдельности, большие потери
воды.
В последние годы внесены значительные усовершенствования в аппарату-
ру, используемую для очистки трубок струей воды. Разработаны, в частности,
насосы высокого давления {до 800 кгс/см2 (80 МПа)] и насадки, вводимые в
трубки с помощью полой штанги.
Использование этого оборудования дало возможность резко повысить
эффективность данного способа и расширить область его применения. Вы-
соконапорная струя дает возможность очищать теплообменные аппараты прак-
тически от любых отложений. К недостаткам метода относится его трудоем-
кость, энергоемкость, необходимость выключения из работы и разборки
аппарата.
Значительное распространение в практике эксплуатации находит гидро-
пневматическая промывка. Сущность метода состоит в том, что в поток воды,
подаваемой в теплообменный аппарат, вводится сжатый воздух. Отложения
и обрастания, удаляемые водовоздушной смесью, сбрасываются в канализа-
цию, если теплообменный аппарат во время чистки отключается от сборного
коллектора отработавшей воды.
Применяются также схемы гидропневматнческой промывки, при которых
аппарат в процессе чистки не отключается от системы. В этом случае удален-
ные отложения поступают в градирни.
Метод гидропневматической промывки эффективен лишь при очистке теп-
лообменных аппаратов, загрязненных легкоудаляемыми отложениями. Специ-
ального оборудования для осуществления данного метода не требуется. К не-
достаткам гидропневматической промывки относится неравномерность очист-
ки трубок теплообменных аппаратов и аппаратов со сложной конфигурацией
поверхностей теплообмена.
В настоящее время применяется несколько методов гидромеханической
очистки. Сущность их заключается в том, что в поток воды, подаваемой в
теплообменный аппарат, вводятся шарики (пластмассовые резиновые, с губ-
чатой поверхностью, с абразивными включениями), которые циркулируют с
потоком жидкости в замкнутом контуре, включающем очищаемый теплообмен-
ный аппарат и небольшие участки трубопроводов, отводящих и подводящих к
нему воду и соединенных перемычкой. Перемычка оборудована эжектором, с
помощью которого осуществляется циркуляция шариков в замкнутом контуре.
Для улавливания шариков в отводящий трубопровод вмонтирована сетка ко-
нической формы. Плотность материала, из коюрого выполнены шарики, близ-
— 160 —
ка к плотност» поды, что обеспечивает сравнительно равномерное распределе-
ние шариков по трубкам теплообменника. Очистка аппаратов шариками осу-
ществляется непрерывно в процессе работы аппарата и позволяет постоянно
содержать в чистоте поверхности теплообмена.
С помощью шариков можно очищать теплообменник от легкоудаляемых
отложений, например слизи биологического происхождения. При наличии
солевых или коррозионных отложений этот метод неприменим, поскольку ша-
рики заклиниваются в трубках.
В последние годы во ВНИИ ВОДГЕО разработана система гидромехани-
ческой очистки теплообменных аппаратов от отложений и обрастаний в про-
цессе работы с помощью мелкодисперсной абразивной присадки, циркулирую-
щей с большой скоростью с потоком жидкости в замкнутом контуре [4]. Эта
система значительно эффективнее и экономичнее предыдущего метода и имеет
гора'здо более широкую область применения.
При очистке по данной системе из трубок теплообменных аппаратов уда-
ляются слизистые биологические обрастания и механические отложения, а
также отложения, состоящие из обоих указанных компонентов и содержащие
кристаллические включения солей, продукты коррозии металла и разрушения
других конструкционных материалов, примеси нефтепродуктов и т. п. При
этом трубки теплообменных аппаратов очищаются до металлического блеска.
Очистка теплообменных аппаратов производится периодически без выключе-
ния их из работы и разборки. Характерными особенностями указанной систе-
мы, отличающими ее от применявшейся гидропневматической промывки, явля-
ются высокая эффективность очистки теплообменных аппаратов разных кон-
струкций от различного рода отложений и исключение потерь воды. В отличие
от метода очистки трубок высоконапорной струей очистка по этой системе
осуществляется без применения ручного труда, без вскрытия теплообменного
аппарата и даже без выключения его из работы. Принципиальная схема обвяз-
ки оборудования данной системы и очищаемых теплообменных аппаратов
представлена на рис. 9.2, где показаны существующие трубопроводы (сплош-
ные линии) подачи и отвода охлаждаемой воды от теплообменников и вновь
монтируемая обвязка (пунктирные линии). На схеме показаны два теплооб-
менника, однако па одну установку может быть обвязано и несколько десят-
ков аппаратов, поскольку очистка их производится периодически. Одновремен-
но можно очищать один или несколько аппаратов в зависимости от того, какой
установлен насос.
Очистка теплообменных аппаратов по этой системе производится следую-
щим образом. Открывают задвижки 2, 6, 11—13, 15, 16 и 18, закрывают за-
движки 1, 7, 10 и 17 и включают насос 14. Абразивная присадка, находящаяся
в аккумуляторе 4, постепенно вытесняется из него потоком жидкости, подавае-
мым циркуляционным насосом 14, поступает в трубки теплообменного аппара-
та 8 или 9 и, проходя с большой скоростью (3—5 м/с), удаляет часть отложе-
ний с поверхностей трубок. По прохождении теплообменника поток жидкости,
содержащий абразивную присадку и частицы удаленных отложений, поступает
в циркуляционный насос 14, а затем в аккумулятор 4 и снова в теплообмен-
ник 8, где происходит дальнейшее удаление отложении из трубок. Таким обра-
зом, абразивная присадка циркулирует с потоком жидкости в замкнутом кон-
туре до полной очистки трубок аппарата в течение 5—20 мин в зависимости от
характера и толщины слоя отложений в трубках.
При очистке теплообменника в замкнутый контур циркуляции воды с
абразивной присадкой по трубопроводу с задвижкой 12 вводится охлажден-
ная на градирнях вода в количестве, достаточном для обеспечения нормаль-
ного охлаждения продукта в теплообменнике (примерно равном рабочему
расходу воды через теплообменник), и одновременно из циркуляционного кон-
тура выводится такое же количество воды. Из контура вода выводится через
элемент 3 аккумулятора присадки, пропускающий воду с удаленными из теп-
лообменника загрязнениями п не пропускающий присадки. Выводимая вода
подвергается очистке от загрязнений в гидроциклоне (или на фильтрах) 5,
цосле чего она подается в коллектор, отводящий нагретую воду от теплооб-
1G1
Рис. 9.2. Обвязка системы для очистки теплообменных аппаратов с помощью абразив-
ной присадки
Мечников в градирню. По окончании очистки теплообменника закрывают за-
движку 2 и открывают задвижку 1 (циркуляция продолжается в замкнутом
контуре). Присадка постепенно собирается в аккумуляторе 4, и как только
вся соберется, система будет готова для очистки следующего теплообменного
аппарата.
Автором разработаны различные модификации системы для счистки
трубок:
с насосами, предназначенными для перекачки жидкостей, содержащих
грубодисперсные примеси (водо-песчаных смесей);
с центробежными насосами обычного типа с оборудованием их устройст-
вами для защиты от абразивного действия присадки;
без дополнительной обвязки теплообменных аппаратов;
для различных специфических местных условий.
Химические методы применяются для очистки теплообменных аппаратов
от солевых отложений, представленных чаще всего карбонатом кальция. Уста-
новка состоит из бака, циркуляционного насоса и коммуникаций, соединяющих
их с очищаемым аппаратом.
Для удаления карбонатных отложений применяют ингибированную соля-
ную кислоту. В последние годы все большее распространение находят раство-
ры низкомолекулярных органических кислот, применение которых дает воз-
можность значительно увеличить срок службы теплообменных аппаратов. Для
очистки теплообменных аппаратов от солевых отложений применяют 1акже
комплексообразующие соединения -- этилендиамин тег ра \ ксуеную кислот у
и ее двузамещенную соль (трилон В)
2. ОЧИСТКА ТРУБОПРОВОДОВ
В трубопроводах систем оборотною водоснабжения нередко образуются
отложения (коррозионные, карбонатные, .механические, биологические), кото-
рые приводят к уменьшению их пропускной способности, увеличению энерге-
тических затрат на перекачивание оборотной воды и к необходимости периоди-
ческого выключения и i p.iooii.i и чш и-п >ni.\ гр\бонрово нш
Для очистки трх оопр*-водов систем оборотного водоснабжения в настоя-
щее время применяются pa шинные метлы механические, гидропневматиче-
ские. гидромеханические и химические.
Механический метод очистки трубопроводов находит применение и в СССР
и за р\бежим. Мека заключается в прокккивании через засоренный трубо-
провод различных очищающих приспособлений (щеток, ершей, подпружинен-
ных ножей, скребков, стальных дисков), которые разрыхляют пли срезают и
удаляют отложен и я.
Очищающие приспособления выбирают в зависимости от характера отло-
жении. Ил, песок, биологические обрастания могут быть легко удалены очень
жесткими щетками и ершами диаметром немного больше диаметра трубопро-
вода. Для удаления твердых отложений требуются приспособления, изготов-
ленные из достагочио твердых материалов, например режущая стальная лента
или доски с режущими ножами. Очищающие инструменты протягивают через
трубопровод с помощью тросов и лебедок или приводят но вращательное дви-
жение двш ателямп
Л1етод механической очистки yiiiiiiepca.'ieii. <>и пригоден для удаления
практически всех видов отложений, встречающихся в трубопроводах систем
оборотного водоснабжения. Однако этот метод имеет ряд существенных недо-
статков, к которым относятся прежде всего длительность, трудоемкость и
энергоемкость очистки, особенно при наличии трудпоудаляемых солевых отло-
жений.
Гидравлическц|"| метод очистки трубопроводов заключается в промывании
вновь построенных или уже бывших в эксплуатации трубопроводов водой
с повышенной скороси.ю. Поток г,оды, проходя по трубопроводу, смывает и
уносит отложения.
Основным достоинством этого метода является простота его осуществле-
ния. Промывка в ряде случаев может быть проведена без выключения трубо-
провода из работы с помощью резервною насоса для повышения скорости
движения воды. Данный метод применим только для очистки от мягких, лег-
коудаляемых отложений.
Разработана также несколько иная модификация этого метода — очистка
с помощью высоконапорной струи, создаваемой соединенной с насосом высо-
кого давления форсункой, которая перемешается по трубопроводу на тележке.
Высоконапорной струей могут быть удалены практически любые отложения
из трубопроводов, но вместе с тем это довольно трудоемкий и длительный
способ очистки.
Значительное распространение в эксплуатации получил метод гидропнев-
матической промывки трубопроводов. Сущность этого метода состоит в том,
что в промываемый участок трубопровода подается водовоздушная смесь,
которая разрушает и удаляет отложения со стенок трубопровода. Для гидро-
пневматической промывки требуется следующее оборудование: насос, компрес-
сор, контрольно-измерительная аппаратура для замеров и регулирования рас-
ходов воды и воздуха. Этот способ довольно эффективен для очистки трубо-
проводов от лы коудалясмых биологических обрастаний и механических отло-
жений.
Гидропневматичсская очистка трубопроводов применяется иногда в соче-
тании с механической--метод тидропневмомехапической очистки. По этому
методу наряду с водовозду шпон смесью в трубопровод вводят различного рода
очищающие снаряды, снабженные скребками или ершами. Снаряды протаски-
вают по трубопроводу с помощью лебедки. Применение очищающих снарядов
значительно повышает эффект очистки.
В практике очистки трубопроводов применяется также метод гидромеха-
нической очистки, который основан па использовании шарового снаряда, про-
пускаемого по 1 рубопроводу по ходу движения воды с несколько меньшей
скоростью, чем у последней. Шаровой снаряд имеет диаметр, немного меньший
диаметра трубопровода с отложениями. Он приводится в движение потоком
воды и удерживается с помощью троса и лебедки, которой регулируется ско-
рость его движения в трубопроводе.
— 163 —
Известен также способ пневматической очистки трубопроводов с приме-
нением абразивных материалов, при котором по трубопроводу с большой ско-
ростью пропускают поток воздуха с абразивной присадкой. В качестве при-
садки может применяться кварцевый песок или другие зернистые абразивные
материалы. Этот способ проще в эксплуатации, чем предыдущий. Он пригоден
для удаления биологических обрастаний, механических отложений, продуктов
коррозии, но неприменим при наличии твердых трудноудаляемых отложений,
таких как карбонатные.
Для удаления карбонатных отложений применяют химические способы
очистки, основанные на применении минеральных кислот, органических или
комплексообразующих соединений.
Наибольшее распространение из минеральных кислот находит соляная,
значительно реже применяются серная, фосфорная и другие кислоты. Соляная
кислота полностью растворяет карбонатные, фосфатные и железоокисные от-
ложения. Метод очистки трубопроводов с применением минеральных кислот
дает возможность быстро и полностью очистить трубопроводы от таких труд-
ноудаляемых отложений, как карбонатные, что не достигается пи одним из
рассмотренных выше методов. Однако применение минеральных кислот свя-
зано и со значительными трудностями, обусловленными их агрессивностью к
материалам трубопроводов — стали и бетону. Для устранения этого недостатка
приходится прибегать к применению самых разнообразных, порой и достаточ-
но дорогих ингибиторов. Наибольшее распространение в практике нашли такие
ингибиторы, как ПБ-5, И-1-А, катапин К, БА-6, уротропин, а также их смеси.
Так, добавление уротропина в растворы ПБ-5 и И-1-А дает возможность зна-
чительно снизить скорость растворения стали 3 и стали 20 в соляной кислоте.
В растворах серной кислоты наиболее эффективен ингибитор катапин К-
Очистка трубопроводов органическими кислотами основана как иа пря-
мом растворении карбонатных отложений, так и на связывании ими ионов
железа в прочные комплексы. Из органических кислот наибольшее распростра-
нение нашла лимонная кислота. Применяются также щавелевая, адипиновая,
малеиновая и другие кислоты. Применение органических кислот обусловлено
прежде всего тем, что они менее агрессивны как к черным, так и к цветным
металлам, более удобны в обращении, хотя и медленнее удаляют отложения
по сравнению с соляной кислотой.
Применение комплексообразующих соединений (комплексонов) для очист-
ки трубопроводов от отложений основано на связывании ими катионной части
вещества отложений в прочный комплекс, хорошо растворимый в воде. Наибо-
лее эффективны такие органические комплексообразующие реагенты, как мо-
ноаммонийцитрат, этилендиаминтетрауксусная кислота и ее соли, иминодиук-
сусная кислота, нитрилтриуксусная кислота. Большим примуществом комплек-
сонов является то, что они нетоксичны и безвредны и не требуют мер предо-
сторожности при работе. Комплексоны значительно экономичнее органических
и тем более минеральных кислот.
Для осуществления химической очистки трубопроводов требуются бак
для приготовления раствора реагента, насос и соединительные коммуникации
с арматурой. В некоторых случаях растворные баки снабжают змеевиком для
подогрева раствора.
3. ОЧИСТКА РЕЗЕРВУАРОВ ГРАДИРЕН
Своевременная очистка резервуаров градирен необходима для обеспечения
нормальной работы систем оборотного водоснабжения. Она позволяет избе-
жать накопления большого количества осадка в резервуарах и предотвратить
Поступление грубодисперсных примесей из резервуаров в теплообменные ап-
параты.
— 164 —
Для очистки резервуаров применяют ра тличные приспособления в зави-
симости от харакюра осанка. Очистка от рыхлых легкоудаляемых осадков
типа отмерших биологических обрастаний, вымываемых из теплообменных
аппаратов, осуществляется с помощью эжекторов, помещаемых непосредст-
венно в резервуаре градирни. Для очистки резервуаров от более тяжелых и
трудпоудаляемых отложений ВНИИ ВОДГЕО разрабатываются в настоящее
время специальные приспособления. Для вновь проектируемых систем оборот-
ного водоснабжения, когда можно ожидать интенсивного образования осадка
в резервуарах градирен, может быть рекомендовано применение градирен с
резервуаром-отстойником, описанным в главе 4 и разработанным ВНИИ
ВОДГЕО совместно с институтами Водоканалпроект и Промстройпроект.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Основные показатели типовых вентиляторных градирен
Номер проекта или марка градирни Тип вентилятора Размеры, м, и площадь в плане, м2 Тип оросителя* Материал каркаса Количество секций, шт.
06-320, № 8 Капельный; пле- ночный Сталь
Уи1-Ь-41 1X2=2 z; н; 0
901-6-50 06-320, № 12,5 2x4=8 То же » 2; 3
901-6-28 4 Ч -Г—, |'-\ 4 4 V КсшеЛьный; пле- ночный; брыз- гальный
1D1 4 X 4—ю » Z—и
Взамен 901-6-28 2ВГ25 4x4=16 Пленочный; пле- ночный из асбе- стоцемента » 2—6
901-6-29 1ВГ50 8x8=64 Капельный; пле- ночный; брыз- галочный » 2-5
901-6-47 2ВГ70 12x12=144 Пленочный » 2; 3
901-6-46 2ВГ70 12x16=192 Капельный; брызгальный » 2; 3
901-6-53 06-300, № 8 1X2=2 Капельный; пле- ночный Дерево 2—6
901-6-49 06-300, № 12,5 2x4=8 Капельный; пле- ночный » 2; 3
901-6-39 1ВГ25 4x4=16 Капельный; пле- ночный 2-6
901-6-34 1ВГ50 8X8=64 Капельный; пле- ночный 2—5
Взамен 901-6-27 2ВГ25 4x4=16 Капельный; пле- ночный; брыз- гальный Железобетон 2-6
901-6-51 2ВГ50 8X8=64 Капельный; пле- ночный; брыз- гальный 2-5
901-6-48 2ВГ70 12x12=144 Пленочный » 2; 3
901-6-43 2ВГ70 12x16=192 Капельный; брызгальный » 2; 3
Т-2153 1ВГ104 400 м3 Пленочный; ка- пельный Каркас стальной; обшивка из волнистого стекло- пластика Одновен- тилятор- ная градирня
901-6-55** 06-300 № 8 1X2=2 Капельный; пле- ночный То же 2—6
901-6-54** 06-300, № 12,5 2x4=8 Капельный Каркас и его обшивка из алюмини- ево-магние- вых сплавов 2
901-6-5/75** 06-320, № 12,5 „2x4=8 — 1 Капельный; пле- ночный; пленоч- ный из винипла- ста 36 — 2; 3; 5
Продолжение
Номер проекта или марка градирни Тип вентилятора Размеры, м, и площадь в плане, м2 Тип оросителя* Материал каркаса Количество секций, шт.
901-6-40** 1ВГ25 4x4=16 Капельный: пле- ночный; пленоч- ный из полиэти- лена — 2; 3
901-6 Г радирни открытого типа (без вентилятора) 4, 8, 12, 16, 32, 48, 64, 80 м2 Брызгальный —
С.К.-380 1ВГ104 380 и2 Капельно-пле- ночный Сталь Одновен- тилятор- ная градирня
С.К.-1200 1ВГ200 1200 м- То же Железобетон То же
МГ-4 06-320, № 4 0,6x0,6= =0,36 Пленочный (по- лиэтилен, поли- пропилен, поли- стирол и другие виды пластмасс) Каркас и обшивка из металла (об- шивка может быть из стеклоплас- тика)
МГ-6 06-320, № 6 0,9x0,9- = 0,81 То же То же »
МГ-8 06-320, № 8 1,2x1,2= = 1,44 » » ;>
МГ-10 06-320, № 10 1,5x1,5= =2,25 » » »
МГ-12 06-320, № 12,5 2,1x2,1 = =4,41 » )>
ГПВ-20М 06-320, № 6 0,66x0,74= =0,49 Пленочный (пластины ми- пластовых се- параторов Ох- тинского хим- комбината) Корпус из стали
ГПВ-40М 06-320, № 8 0,99x1,07= = 1.06 То же То же »
ГПВ-80 06-320, № 10 1,32x1,42= = 1 ,87 » » »
ГПВ-160 06-320, № 12,5 2,08x2,08- =4,32 » » »
МВГ-6 (поперечный тс к) 06-320, № 6,3 2,62x0,97= =2,54 (высо- та 1,86 м) Пленочный (пластмассы или сталь) »
МВГ-4 (противоток) 06-320, № 4 0,7X0,82 = =0,57 То же
МВГ-8 (противоток) 06-320 № 8 1 ,36x1 ,53= =2,08 » » »
МВГ-12 (противоток) 06-320, № 12.5 2,26x2,48= =5,6 » »
* Все капельные и пленочные оросители,
товляются из дерева
Грааирни, располагаемые ча ьтавиях с
— 167
за исключением особо оговоренных, изгр
плоской кровле!! или на эстакадах,
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Апельцин И. Э. Подготовка воды для заводнения нефтяных пластов.
М., Гостоптехиздат, 1960.
2. Апельцин И. Э., Кучеренко Д. И. Определение доз реагентов при под-
кислении и рекарбонизации воды систем оборотного водоснабжения. — Водо-
снабжение и санитарная техника, 1968, № 5.
3. А. с. 199150 (СССР). Аппарат для магнитной обработки жидкости./
Д. И. Кучеренко. —Заявл. 16.11.65, № 1037102/24-6; Опубл, в Б. И.,
1967, № 15.
4. А. с. 507768 (СССР). Система для очистки трубок./Д. И. Кучерен-
ко. — Заявл. 09.04.73 (21), № 1897652/24-6; Опубл, в Б. И. 1976, №11.
5. Гладков В. А., Лаптева Д. Г. Номограммы для определения теплосо-
держания, влагосодержания и удельного веса влажного воздуха при расчете
охладителей воды. М., изд. ВНИИ ВОДГЕО, 1958.
6. Гладков В. А. Совместная работа вентиляторных градирен и теплооб-
менных аппаратов в оборотном цикле водоснабжения. — Водоснабжение
и санитарная техника, 1962, № 1.
7. Гладков В. А., Арефьев Ю. И., Пономаренко В. С. Вентиляторные
градирни. М., Стройиздат, 1976.
8. Долгов Г. И. Биологические обрастания в системе питьевого и тех-
нического водоснабжения и меры борьбы с ними. М., 1969.
9. Клячко В. А., Апельцин И. Э. Подготовка воды для промышленного
и городского водоснабжения. М., 1962.
10. Коррозия стали охлаждающих систем и методы защиты/В. Ф. Не-
греев, А. А. Фархадов, Д. М. Абрамов, А. Ю. Алекперов. Баку. Азерб. гос.
изд-во, 1971.
11. Кравцова Н. В. Глубокая очистка и повторное использование сточ-
ных вод (обзор). М., изд. ЦИНИС Госстроя СССР, 1974.
12. Кучеренко Д. И. Условия безнакипной работы систем оборотного
водоснабжения. — Водоснабжение и санитарная техника, 1965, № 9.
13. Кучеренко Д. И. Экспериментальное исследование метода подкисле-
ния воды для предотвращения карбонатных отложений в системах оборотного
водоснабжения. — Тр. ин-та/ВНИИ ВОДГЕО, 1967, вып. 16.
14. Кучеренко Д. И. Методы расчета оптимальных режимов стабилиза-
ционной обработки воды фосфатами и комбинированной фосфатно-кислотной
обработки. — В кп.: Материалы семинара. ДНТП МХП УССР, 1969.
15. Кучеренко Д. И. Исследование метода стабилизационной обработки
воды полифосфатами. Тр. ип-та/ВНИИ ВОДГЕО, 1971, вып. 29.
16. Кучеренко Д. И., Белянин А. И. Биоценоз в промышленных системах
водяного охлаждения. — В кн.: Сборник трудов I Всесоюзного симпозиума
«Человек и биосфера», 1975.
17. Кучеренко Д. И. К вопросу о применении метода контролируемого
накипеобразования для борьбы с коррозией в системах оборотного водоснаб-
жения, подверженных биологическим обрастаниям. — Тр. ин-та/ВНИИ
ВОДГЕО, 1975, вып. 49.
18. Кучеренко Д. И. Исследование эффективности ряда ингибиторов для
борьбы с коррозией в системах оборотного водоснабжения с высоким солесо-
держанием оборотной воды. — Тр. ин-та/ВНИИ ВОДГЕО, 1975, вып. 51.
19. Кучеренко Д. И., Калинский А. В., Волохович В. А. Очистка про-
изводственных сточных вод автомобильного завода. — В кн.: Материалы се-
минара «Физико-химические методы очистки сточных вод». МДНТП, 1975.
20. Кучеренко Д. И., Меркулов В. А. Влияние грубодисперсных приме-
сей на работу систем оборотного водоснабжения промышленных предприя-
тий. — В кн.: Материалы семинара «Предотвращение минеральных и орга-
нических отложений на поверхностях аппаратов — охладителей систем тех-
нического водоснабжения». Киев, 1977.
21. Кучеренко Д. И., Зернова Л. А., Волохович В. А. Стабилизационная
обработка производственных сточных вод в замкнутом цикле промышлен-
ного водоснабжения Волжского автозавода. — В кн.: Материалы семинара
— 168 —