Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
13
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ВОДНОГО ГОСПОДАРСТВА ТА ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ
УДК 628.16.06
МАГНІТНО-РЕАГЕНТНЕ ОЧИЩЕННЯ ВОДИ В
МАГНІТНИХ ВІДСТІЙНИКАХ СОТОВОЇ СТРУКТУРИ
05.23.04 –водопостачання, каналізація
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Рівне - 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному університеті водного господарства та природокористування (НУВГП) Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник - доктор технічних наук, професор, заслужений винахідник України Гіроль Микола Миколайович, НУВГП, проректор з наукової роботи, завідувач кафедри водовідведення, теплогазопостачання та вентиляції.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Душкін Станіслав Станіславович, Харківська національна академія міського господарства, завідувач кафедри водопостачання, водовідведення та очистки води;
кандидат технічних наук, доцент Сівак Віктор Михайлович, НУВГП, доцент кафедри водопостачання і бурової справи.
Провідна установа –Київський національний університет будівництва та архітектури, кафедра водопостачання (м. Київ).
Захист відбудеться “___” ____червня______ 2006 р. о ___ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д47.104.01 при Національному університеті водного господарства та природокористування за адресою:
, м. Рівне, вул. Соборна, 11, головний корпус.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету водного господарства та природокористування за адресою:
, м. Рівне, вул. Приходька, 75.
Автореферат розісланий “___” ______травня__________ 2006 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат техн. наук, доцент В.П. Востріков
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Системи комунально-побутового водяного опалення, в яких основним теплоносієм традиційно є вода, являються крупними споживачами паливно-енергетичних ресурсів і підвищення ефективності їх роботи може забезпечити значну економію палива. Рішення вказаної проблеми вимагають Закон України “Про енергозбереження” ст.№283, 1994 р., Постанова Кабінету Міністрів України №929 від 7.08.1996 р. “Про посилення контролю за режимами споживання електричної і теплової енергії”, Постанова Кабінету Міністрів України №148 від 5.02.1997 р. ”Про комплексну державну програму енергозбереження України.
На сучасному етапі велика кількість замкнутих теплообмінних систем, особливо локальних, працює на водопровідній воді без попередньої обробки, що приводить до утворення шламу (продукти накипоутворення і корозії). А це, в свою чергу, супроводжується перевитратами палива, появою прогарів на металевих трубах, підвищеним зносом котлів, зменшенням терміну міжремонтного періоду обладнання. Використання шламовловлювачів (“грязьовиків”) для вилучення шламу із теплових мереж не дає бажаного результату через низьку ефективності їх роботи. Враховуючи, що очисні установки повинні бути нескладними, компактними, а також забезпечувати високу якість очистки води, одним із варіантів вирішення цієї проблеми може бути впровадження магнітно-реагентної технології очистки води з використанням магнітних відстійників, яка ефективна при необхідності одночасно вести очищення від різних за своїми фізико-хімічними властивостями речовин.
Зв’язок роботи з науковими програмами. Робота виконана в лабораторії магнітної очистки рідин і газів Національного університету водного господарства та природокористування. У ній вирішені окремі задачі, внесені до планів таких госпдоговірних та держбюджетних робіт, в яких автор брав участь як співвиконавець:
Мета та задачі досліджень. За мету в даній роботі було поставлено –забезпечити очищення циркуляційної води систем опалення від феро- і парамагнітних домішок з використанням реагентів і магнітного поля. Відповідно до вказаної мети були визначені такі задачі досліджень:
Об’єкт досліджень –магнітні установки очистки води систем водяного опалення та води із значним вмістом пара і діамагнітних домішок.
Предмет досліджень –процес очищення води в магнітних відстійниках сотової структури.
Методи досліджень –при проведенні експериментів використовували сучасні методи досліджень та обладнання: оптична система контролю прозорості води, яка складалась із гелій-неонового лазера і фотодіода, фотоколориметр ЛМФ-72, генератор магнітного дисперсного матеріалу „Елемаг”. Дослідні дані обробляли за допомогою ПЕОМ, результати експериментів –відповідно до рекомендацій Міжнародного союзу чистої і прикладної хімії за методами визначення і формою позначення помилок, відхилень, одержуваних при масових аналітичних дослідженнях. Оцінку надійності і відтворення дослідних даних визначали в межах довірчого інтервалу.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:
Достовірність отриманих результатів. Достовірність результатів, що отримані, теоретично обгрунтована, підтверджена діючими методами планування експериментів і обробки експериментальних даних (при проведенні лабораторних досліджень для однієї із концентрацій домішок виконано повнофакторний експеримент), використанням сучасних методик та приладів проведення вимірювань –зміна прозорості води контролювалась лазерним променем, а отримана інформація фіксувалась самописним пристроєм, порівнянням емпіричних і експериментальних даних, порівнянням з результатами інших авторів.
Практичне значення отриманих результатів:
Особистий внесок автора:
Апробація результатів дисертації. Окремі положення дисертації доповідались на:
Публікації. За результатами досліджень опубліковано 14 праць (8 без співавторів), у тому числі 5 у фахових виданнях, отримано 2 авторських свідоцтва СРСР, патент РФ та 2 деклараційних патенти України на винаходи.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, основних висновків, списку використаних літературних джерел із 147 найменувань і 6 додатків. Загальний обсяг роботи складає 219 сторінок, в тому числі 128 сторінок основного тексту, 20 таблиць, 76 рисунків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У першому розділі проаналізовано праці вітчизняних та зарубіжних вчених, в яких наведені результати теоретичних та експериментальних досліджень по недопущенню утворення забруднень в циркуляційних теплових мережах та практики магнітно-реагентного очищення води, висвітлюється сучасне розуміння їхньої природи і фізичної суті.
На сучасному етапі захист котлів і теплових мереж від утворення і накопичення відкладень шламу досягається в основному двома способами: а) вилученням утворювачів накипу та інших забруднень до подачі води в мережу (попередня обробка); б) створенням умов на внутрішніх поверхнях котла і мереж, при яких утворений шлам періодично або безперервно вилучається.
Водопідготовка перед подачею води у теплову мережу полягає в основному у зменшенні її твердості, для чого використовують такі методи як реагентний, фільтрування через спеціальні сорбенти, іонного обміну, що дає можливість досягнути ефект пом’якшення до 0,01 –,02 мг-екв./дм3 . Але через велику вартість вказаних технологій, досить часто (особливо це стосується локальних мереж малої потужності) вода взагалі не проходить ніякої обробки, що нерідко приводить до аварій обладнання. Крім цього, для захисту теплових мереж від продуктів шламоутворення в СНіП 2.04.07-86 “Тепловые сети” в деяких випадках рекомендується використовувати магнітну обробку води, антинакипний ефект якої (за даними Душкіна С.С., Лапотишкіної Н.П. і Тебеніхіна Є.Ф) може досягати 90 - 95%. Проте, як встановлено практикою експлуатації промислових магнітних установок, магнітну обробку води в багатьох випадках необхідно поєднувати з іншими способами водопідготовки. Аналізи стану води через певні періоди, а також у кінці опалювальних сезонів показують, що, незважаючи на виконану протинакипну і антикокорозійну обробку води, в ній досить часто присутня значна кількість шламових накопичень –мг/дм і більше. В Україні проблема вилучення із теплових мереж продуктів шламоутворення здебільшого не вирішена по причині низької ефективності роботи шламовловлювачів, які найчастіше використовуються у цих випадках. Спроби використати з цією метою механічні фільтри здебільшого виявилися економічно невиправданими.
Враховуючи, що значну кількість шламових накопичень на внутрішніх поверхнях труб (до 75% від загальної кількості) складають магнетит (Fe3O4) і магемит (г-Fe2O3), які добре взаємодіють з магнітним полем, а також механічні домішки, перспективним способом захисту котлів і теплових мереж є використання магнітно-реагентної технології водопідготовки, що дає можливість одночасно вилучати із води домішки із феро-, пара- і діамагнітними властивостями, а також розчинні речовини. В нашій країні розробкою питань магнітно-реагентної очистки води і апаратів для її реалізації досить плідно займались відомі вчені О.В. Сандуляк, В.О. Терновцев, М.М. Гіроль та ін.
Реалізація магнітно-реагентного методу водопідготовки відбувається на магнітних апаратах (сепараторах, фільтрах, відстійниках), основною перевагою яких є здатність очищати великі об’єми води при власних малих габаритах з високою ефективністю процесу водоочистки і відносно невеликими експлуатаційними витратами.
Магнітні сепаратори використовуються в основному для вилучення із води грубодисперсних домішок з розміром частинок понад 100 мкм, а також, коли немає потреби в глибокому очищенні води і характеризуються значними розмірами, як правило рухомими робочими елементами, відсутністю феромагнітного фільтрувального завантаження, а ефективність їх роботи рідко перевищує 80 –%. Апарати такого типу впроваджені у виробництво з початку ХІХ століття і в основному використовуються для збагачення руди та очищення стічних вод у металургійній промисловості.
Значно ефективнішими є магнітні фільтри з гранульованими фільтруючими насадками, що використовуються для вилучення частинок мікронних і субмікронних розмірів, ефективність роботи яких досягає 99,5% при швидкості потоку води 100 –м/год., однак, як встановлено досвідом експлуатації, їх використання вигідне в основному при тонкій очистці води, коли вміст домішок не перевищує 2-2,5 мг/дм, бо при очищенні середовищ з більш високим вмістом забруднень різко (на 1-2 порядки) зменшується тривалість фільтроциклу.
При використанні магнітно-реагентної технології очищення води доцільно впроваджувати магнітні апарати, які могли б поєднати переваги магнітних фільтрів (висока швидкість руху води і ефект очищення) та сепараторів (широкий діапазон концентрацій забруднень). Останнім часом для очищення висококонцентрованих стічних і природних вод використовують магнітні відстійники з ефектом очистки 90 - 99% при швидкості руху води 70 - 100 м/год. Однак, на даний час недостатньо інформації про результати їх досліджень та промислове застосування.
У другому розділі описані експериментальні установки, принцип їх роботи, наводиться методика проведення досліджень. На першому етапі досліджувався процес локалізації феромагнітних домішок в статичних умовах на експериментальній установці, схема якої показана на рис.1. До її складу входила трикутна кювета, яка після її заповнення дослідною рідиною поміщалась між двома нахиленими електромагнітами. Використання відстійника у вигляді непаралельних пластин дає змогу створити неоднорідне магнітне поле, коли його силовий фактор HgradH (H- напруженість, gradH- градієнт напруженості) зростає вздовж бісектриси кута до його вершини, забезпечуючи рух феромагнітних частинок в цьому ж напрямку. Динаміку зміни прозорості дослідної рідини контролювалась лазерним променем в точці “К” кювети, а отримана інформація фіксувалась самописним пристроєм. Модельні розчини готували шляхом введення до дистильованої води магнетиту, а при дослідженні локалізації немагнітних речовин –розчиненням у воді бентонітової глини.
Рис.1. Схема лабораторної установки для дослідження локалізації домішок у магнітному полі:
1- трансформатор; 2- випрямляч; 3–амперметр; 4- електромагніти;
- кювета з дослідною рідиною; 6- гелій-неоновий лазер;
- фотодіод; 8- самописний пристрій; т.K - контрольна точка.
Для забезпечення процесу коагуляції до модельного розчину вводили коагулянт Al(SO)18НО, а для створення умов взаємодії продуктів коагуляції з магнітним полем –магнетит. Раціональні дози реагентів визначали пробним коагулюванням за відомими методиками. Щоб оперативно контролювати динаміку зміни у воді концентрації забруднень, будувались графіки, на яких відображався зв’язок між оптичною густиною рідини і відповідною для неї концентрацією домішок, який періодично контролювався ваговим способом. На підставі даних, знятих з масштабно-координатної стрічки, будували графіки залежностей зміни відносної концентрації домішок у воді в часі.
Процес очистки води в динамічних умовах досліджувався на установці, схему якої показано на рис.2. До установки входив водоочисний пристрій, виготовлений у двох варіантах: перший –коли до його складу входив тільки магнітний відстійник і другий (комбінований), при потребі в подальшому доочищенні води - над магнітним відстійником розміщували фільтр ФПЗ. Магнітний відстійник складався із окремих модулів, розміщених один над одним по висоті, а самі модулі мали вигляд металевих сіток з квадратними вічками розміром 11 см . На систему модулів накладалось зовнішнє магнітне поле, силовий фактор HgradH величина якого в центральній їх частині була в межах 1,410 - 1,610 А/м. Процес регенерації магнітносприйнятливого реагенту досліджували на установці, до складу якої входив бак з модельним розчином, в якості якого використовувалась вода після промивки водоочисного пристрою (рис. 2). Модельний розчин надходив із швидкістю 100 –м/год. на магнітний фільтр, з напруженістю магнітного поля всередині насадки 50 - 60 кА/м . Ефективність регенерації магнетиту визначали процентом втрат цього реагенту в процесі повного циклу відновлення і ефективністю процесу очистки при його повторному використанні. При дослідженнях процесу магнітно - реагентного очищення води вивчався вплив таких факторів як: доза коагулянту Al(SO ) , доза магнетиту FeO , температура води, pH води, силовий фактор магнітного поля HgradH, початкова концентрація забруднень Со. При математичній обробці експериментальних даних використовували метод найменших квадратів, а для оцінки отриманих емпіричних залежностей –коефіцієнт Стьюдента.
|
Рис. 2. Схема установки для локалізації феромагнітних домішок у динамічних умовах: 1 - бак з модельним розчином; 2,3 - баки з розчинами коагулянту і магнетиту; 4 –змішувач; 5 –водоочисний пристрій. |
У третьому розділі викладено основні теоретичні уявлення щодо процесу локалізації феромагнітних речовин в магнітному полі. Введення в очищувану воду магнітносприйнятливого реагенту (магнетиту) і коагулянту або лугу дозволяє отримати агрегати, до складу яких входять феромагнітні частинки магнетиту і продукти коагуляції з феромагнітними властивостями. Якщо помістити очищувану воду з утвореними в ній феромагнітними агрегатами в магнітне поле, то їх гідравлічна крупність значно збільшується, причому швидкість направленого руху зростає при на-ближенні до поверхні магніту, тобто зростає з ростом магнітного силового фактора.
Основним показником ефективності очищення води вважається відносна кількість затриманих домішок:
, (1)
де і - вміст домішок у воді відповідно до і після очистки.
На графічній залежності, яка характеризує процес відстоювання води в магнітному полі (рис. 3), чітко простежуються три характерні етапи: І - зона початку зменшення концентрації феромагнітної фракції в контрольній точці “К” і визначається часом ; ІІ –зона найбільш інтенсивного осідання частинок магнетиту, коли практично досягається максимальний ефект очищення (кут нахилу до горизонталі цієї частини графіка характеризує швидкість процесу відстоювання, а термін цього етапу становить () і ІІІ - зона, характерна значним уповільненням процесу очистки внаслідок того, що на цей момент у воді наявні тільки слабомагнітні і немагнітні частинки, які осідають під дією сили гравітації і не взаємодіють з магнітним полем.
to
lg(1-)
II
I
III