Реферат: Б. С. Семухин Инж химик А. И. Быков реферат

СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ


Исполнители:

Докт. физ.-мат. наук Б.С. Семухин

Инж. химик А.И. Быков


РЕФЕРАТ


Отчет изложен на 16 стр., включает 7 рис., 14 источников


ВОДА, СТРУКТУРА ВОДЫ, ОЧИСТКА ВОДНЫХ СРЕД


Приводятся результаты анализа развития науки о воде и средств безреагентной очистки технологических водных сред для нужд химических производств за последние 20 лет. Установлено, что их взаимное влияние практически не прослеживается, а очистка по прежнему основана на различных гидромеханических процессах. Показано, что решение проблемы безреагентной подготовки воды возможно при взгляде на очистку как на физико-химический процесс, обеспечивающий условия для управления процессами кластеризации в водных растворах. При этом надлежит использовать в качестве реагентов самое вредные с технологической точки зрения включения, растворенные в объеме воды и/или осевшие в виде отложений на технологическое оборудование. Данные задачи могут быть решены при условии разработки методов резонансного воздействия на водные среды с применением фемто- и пикосекундных технологий.


СОДЕРЖАНИЕ




лист

ВВЕДЕНИЕ

5

1. Обзор патентной и научной литературы

6

1.1. Современные воззрения на структуру и динамику воды и водных сред

7

1.2. Сравнительный анализ методов безреагентной обработки воды

8

1.3. Промышленная очистка технологического оборудования

12

2. Исходные данные для технического решения по монтажу экспериментального оборудования

15

2.1. Описание функциональной схемы экспериментальной установки

17

2.2. Исходные данные для монтажа опытной СБПВ

17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

19

^ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

20

Приложения к отчету. Технические паспорта на оборудование, изготовленное по авторским методикам
ООО «НПК «РИТАЛ» и ГП «НПЦ «Примех»

22



ВВЕДЕНИЕ


Академик В.И. Вернадский утверждал: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты». Все цивилизации от древнейших времен до современных, направленных в будущее, основаны на использовании воды или водосодержащих систем, поэтому поддержание потребительских свойств воды, необходимых для надежного функционирования как биологических, так и техногенных систем является перманентной задачей. В связи с этим, решение цивилизационных экологических и технологических проблем без знания того, что фактически означает термин «вода» практически невозможно. Подтверждением является анализ тенденций и достижений в развитии методов безреагентной подготовки (очистки) воды или, точнее, водных технологических систем. Анализ показывает, что за последние 10-25 лет значимых изменений в этой области не произошло, несмотря на применение нетрадиционных методов воздействия на воду, таких как механохимия, плазмохимия, озонолиз, различные виды излучений и т.д. В отчете приводятся результаты анализа современных представлений о воде и водных системах, современном уровне технологий очистки воды и их отличии от принципов, заложенных в технологиях ООО «НПК «РИТАЛ» и ГП «НПЦ «Примех». Данная НИОКР посвящена разработке методов безреагентной очистки технологических вод, предназначенных для обеспечения оборотного водоснабжения Кемеровского ОАО «Азот», а также возможного тиражирования на других объектах заказчика.


1. Обзор патентной и научной литературы


1.2. Современные воззрения на структуру и динамику воды и водных сред


Без понимания свойств воды невозможно научное решение проблем, связанных поддержанием качества технологических вод, особенно в условиях оборотного водоснабжения химических производств.

Воде посвящен не один десяток публикаций и дать их обзор практически невозможно. Поэтому рассмотрен узкий раздел «водоведения» - структура и динамика жидкой воды. Достигнутый к началу 80-х годов прошлого столетия уровень знаний о структуре жидкой воды достаточно полно изложен в [1]. В настоящее время принципиальных изменений в представлениях о строении жидкой воды не произошло – по-прежнему считается, что в воде молекулы соединены водородными связями, образующими непрерывную трехмерную сетку. Это было окончательно доказано работами Стенли и сотрудников, применивших теорию перколяции к рассмотрению структуры воды [2,4]. Было показано, что порог перколяции для трехмерной сетки, в каждом узле которой сходятся 4 связи, лежит в пределах 1,6-1,7. Таким образом, представления о наличии в воде клатратов [5] и кластеров типа модели Немети и Шираги [6]. Однако знания о том, что представляет из себя трехмерная сетка появились с развитием мощной компьютерной базы и численного моделирования и непосредственно связанного с ними прорыва в экспериментальной технике, особенно с появлением фемтосекундной спектроскопии. На рисунке 1 представлена трехмерная структура воды в современном представлении (многогранники Вороного).



Рисунок 1

Неоднородность структуры воды в терминах многогранников Вороного

Темные шарики – молекулы с объемом <281,57 нм3; светлые шарики – молекулы с объемом >311 нм3

На рисунке заметны перколирующие кластеры из молекул с объемом <281,57 нм3 и пустоты в объеме среды. Возможности метода фемтосекундной ИК- спектроскопии и некоторые итоги ее применения для изучения воды изложены в [7]. С точки зрения проблемы очистки воды наиболее важными полученными к настоящему времени сведениями о структуре воды являются:

Вода обладает очень рыхлой структурой. При нормальных условиях объем молекул воды составляет менее 40 % от общего объема системы. Структура пустого пространства и возможность размещения в них молекул других веществ с успехом описываются аппаратом симплексов Делоне [8] (рисунок 2).



Рисунок 2

Размещение пустот в объеме воды

Все молекулы в водной системе объединяются в ветвящиеся кластеры, пронизывающие все пространство, при этом образуются подсистемы из молекул, связанных сильными или слабыми водородными связями. Тела глобулярной формы отсутствуют, а области с флуктуацией плотности также представлены в виде бесконечных ветвящихся кластеров. Характерная толщина ветвей и расстояние между точками ветвления составляет нанометры (рисунок 3).

Время жизни разорванной водородной связи в воде (время жизни свободного протона) составляет ≈ 200 фс. Время жизни молекул, связанных долгоживущей водородной связью и составляющих ветвящийся кластер составляет 10-30 пс.



Рисунок 3

Ветвящиеся кластеры в воде

Слева – кластеры со слабой водородной связью, справа – с сильной

Наука о воде вступила в новый этап развития, однако уже имеющиеся на сегодняшнее время сведения о ее структуре и динамике позволяют переосмыслить имеющийся опыт по разработке методов очистки воды и создать новые высокоэффективные, основанные на резонансном воздействии на молекулярные составляющие водных систем (нано-технологии).


^ 1.2. Сравнительный анализ методов безреагентной обработки воды

Ретроспективный обзор развития систем и методов очистки воды за последние 20 лет показывает, что общие принципы очистки практически не изменились. Развитие идет в основном по линии автоматизации процессов очистки и замены отдельных элементов систем очистки на более современные или основанных на новых физических принципах.

Как известно, общая схема водоочистки включает в себя ряд последующих операций, включая

Аэрацию. Аэрация предназначена для обезжелезивания воды путем окисления растворимой закиси железа и марганца в нерастворимую окисную форму. Аэрация осуществляется нагнетанием воздуха в напорный трубопровод перед осветительным фильтром и позволяет существенно снизить нагрузку на последующее водоочистное оборудование.

Отстаивание (гравитационная седиментация). Предназначено для выделения дисперсий из водной среды под действием гравитационных сил либо земного тяготения в отстойниках различной конструкции, либо в центробежном поле (центрифугирование). При отстаивании происходит разделение взвешенных частиц по плотности – вещества с плотностью ниже плотности воды (обычно органические соединения, включая нефтепродукты) всплывают, а выше плотности воды осаждаются в виде шлама. В настоящее время очистка воды отстаиванием осуществляется в высокопроизводительных фильтрах-отстойниках. Примером такого аппарата является гидравлический фильтр в виде отстойного резервуара рисунке 4 [9]. В данном устройстве фактором разделения является центробежная сила, возникающая при движении жидкости в спиральном щелевом зазоре. На рисунке 5 показан гидравлический фильтр-отстойник пластинчатого типа [10], осаждение дисперсной фазы в котором происходит по действием гравитации на параллельные горизонтальные пластины.





Флотация. При флотации органические соединения (нефтепродукты, жиры, поверхностно-активные вещества и т.п.) адсорбируются в виде пленки на поверхности пузырьков воздуха. При слиянии (коалесценции) пузырьков воздуха органическая пленка утолщается и накапливается на поверхности воды, откуда удаляется различными способами. Конструкции флотаторов весьма разнообразны и различаются по способу приготовления пузырьков воздуха. Одновременно флотаторы являются и аэраторами, что увеличивает диапазон их применения. Примером таких аппаратов являются пневмогидравлические флотаторы-аэраторы [11], часто дополняемые виброакустическим воздействием на частотах около 330 кГц.

Фильтрация. В настоящее время собственно гидравлическая фильрация, основанная на отделении дисперсной фазы на высокопористых материалах (решетках, сетках, гранулированных и тканных пористых минеральных и органических материалах и т.п.), является наиболее распространенным способом очистки воды. Наиболее точным термином следует считать понятие «осветлительно-сорбционная фильтрация», поскольку в пористых материалах всегда наличествуют явления физической и химической адсорбции, что позволяет очищать технологические жидкости не только от различных органических и неорганических дисперсий, включая пленки, эмульсии и взвешенные частицы различной степени дисперсности, но и от растворенных компонентов. Типичным примером такого осветлительно-сорбционного фильтра является гидравлический механический фильтр с фильтрующими элементами и насыпным поглотителем [12], представленный на рисунке 6. Эффективность очистки в первую очередь зависит от типа поглотителя (адсорбента), в синтезе которых в настоящее время происходит настоящая революция, особенно в связи с развитием нано-технологий.



Рисунок 6

Гидравлический механический фильтр с фильтрующими элементами и насыпным гранулированным адсорбентом

1, 16 – подводящий и выводящий штуцера; 2 – подводящий патрубок; 3, 12 – нижняя и верхняя крыша; 4, 11 – дополнительные решетчатые полки; 5, 10 – тканные фильтрующие прокладки; 6 – корпус; 7, 9 - дренажные решетчатые полки; 8 – выступы; 13, 15 – прижимные скобы; 14 – фильтрующий элемент; А, Б, Г – камеры промежуточная, отводящая и подводящая, соответственно; В – отводящий канал.

Умягчение (обессоливание). Существуют два основных вида обессоливающих установок по принципу их действия. Ионообменные, когда умягчение (обессоливание) воды основано на ее фильтрации через слой ионообменной смолы (катионо- или анионообменной), сопровождающейся химическим взаимодействием (обменом) ионов извлекаемой соли (обычно солей постоянной жесткости) с ионами смолы. Обратноосмотическое обессоливание основанное на использование эффекта обратного осмоса на мембранах с порами <5 мкм. Последний способ используется весьма редко в специальной очистке воды, поскольку мембраны весьма чувствительны к составу водной среды.

Обеззараживание. Обеззараживание в технологических целях на химических предприятиях производится достаточно редко, преимущественно с использованием среднечастотных (550-1800 Гц) промышленных озонаторов, генерирующих озон из кислорода воздуха, предварительно осушенного до точки росы минус 60оС. Кроме того используется ультрафиолетовое обеззараживание непосредственно перед подачей к месту потребления. В качестве излучателя используются ртутные лампы с длиной волны 254 нм.

Анализ научно-технической литературы и патентных материалов промышленно развитых стран показывает, что основным направлением в промышленной безреагентной водоподготовке по-прежнему будет являться дальнейшее совершенствование фильро-адсорбционных технологий, при этом главный упор делается на применение новых сорбентов, прежде всего нано-материалов, а также на широкую автоматизацию процесса очистки воды на новой микропроцессорной базе и упрощение конструкции и технологии изготовления оборудования с применением новых материалов.

^ 1.3. Промышленная очистка технологического оборудования

Очистка технологического оборудования, в первую очередь трубопроводов и поверхностей в химической промышленности является насущной проблемой. Безреагентные методы очистки промышленного оборудования можно сгруппировать по следующим направлениям:

Гидродинамическая очистка – очистка струей воды или вводно-абразивной суспензии высокого давления при давлении до 3500 бар. Применяется в основном для очистки больших поверхностей. Требует последующей очистки загрязненной воды.

Импульсная очистка за счет создания локального импульса давления (ударной волны) в водной среде в результате электроразряда или пневмоклапаном. Применяется в основном для очистки труб.

Ультразвуковая очистка – очистка ультразвуком, распространяющимся либо в жидкой среде, либо в материале очищаемого оборудования. Отличительной особенностью метода является возможность в режиме непрерывной работы оборудования предотвращать повторные отложения.

Механическая очистка – очистка механическими рабочими органами. Старейший и наиболее энерго- и материалоемкий способ очистки. Магнитная обработка воды. Принципы действия находятся на уровне предположений, поскольку не учитывают последних достижений науки о воде и зачастую основаны на экзотических представлениях о сойствах материи и полей. Примером является швейцарский прибор "Mediagon" на основе уникального сплава металлов, создающего концентрацию статических полей (?) и собственного магнитного поля (?), представленный на рисунке 7.



Рисунок 7

Общий вид прибора "Mediagon"

Под воздействием прибора карбонат кальция переходит в коллоидное состояние, что способствует его дальнейшей кристаллизации в объеме воды и препятствует образованию накипи, а также способствует растворению старых отложений. Обработанная вода сохраняет полученные свойства в течение нескольких суток (в зависимости от температуры и pH воды, общей и временной жесткости).

Как следует из вышеизложенного, наиболее перспективными следует считать методы очистки и поддержания чистоты технологического оборудования, позволяющие осуществлять его в ходе его эксплуатации. Из перечисленных методов этим требованиям в наибольшей мере соответствуют ультразвуковая очистка и магнитная обработка.

Современный уровень научных и практических работ по изучению воды и водных растворов позволяет представить решение проблемы безреагентной подготовки воды как физико-химический процесс, обеспечивающий условия для управления процессами кластеризации в водных растворах и использования в качестве реагентов самих вредных с технологической точки зрения включений, растворенных в объеме воды и/или осевших в виде отложений на технологическое оборудование. Данные задачи могут быть решены при условии разработки методов резонансного воздействия на водные среды с применением фемто- и пикосекундных технологий. Эти технологии должны быть основаны на комбинированном воздействии на среду магнитными, электромагнитными и акустическими полями, что позволяет реализовать их в непрерывном технологическом процессе химического производства. Примеры реализации такого подхода демонстрируются в [13,14].


^ 2. Исходные данные для технического решения по монтажу
экспериментального оборудования


2.1. Описание функциональной схемы экспериментальной установки

На входе потока обрабатываемой воды находится устройство «КОЭХ И». Оно представляет собой проточный электролизер-активатор (рис. 8). На его электроды подается однополярный электрический импульс с параметрами согласно [15]. А именно: ток от 1 мА до 1 000 А, частота 0,1ч100 кГц. Этим способом осуществляется высокочастотная активация ионов и связанных с ними электронов. Количественный анализ, приведенный в [16, 17] позволяет утверждать о широком спектре частот порядка 109ч1012 Гц. В настоящей НИОКР требуется определить параметры импульсов ВЧ активации.

Далее возбужденная среда попадает в устройство ЗМПС, в котором согласно [18, 19] реализовано пространственно-замкнутое магнитное поле, имеющее нелинейную структуру как вдоль, так и поперек потока среды. За счет этого в МГД-системе возбуждаются колебания ансамблей ионов и электронов в полосе частот до 1014 Гц. Это приводит к группировке частиц по плотности и по скорости в потоке в условиях резонанса, происходит повышение плотности солей жесткости и примесей в единице объема среды выше предельной растворимости, что вызывает переход солей жесткости в нерастворимое состояние с одновременной микрогрануляцией частиц размером до 0,03 мкм.

Затем среда с микрогранулами поступает в устройство «КОЭХ П», в котором на электроды подается переменный ток низкой частоты (до 100 Гц), в зависимости от размеров микрогранул. В ходе этой НИОКР требуется получить на выходе устройства «КОЭХ П» микрогранулы размером более 2 мкм. В этом случае адгезии солей жесткости на стенки теплообменников не наблюдается.

Обеззараживание биологических объектов обеспечивается еще в устройстве «КОЭХ И». Мертвые биологические структуры служат дополнительными центрами грануляции.




^ 2.2. Исходные данные для монтажа опытной СБПВ

Функциональная схема включения перечисляемых ниже устройств СБПВ Ду 150 приведены на рис. 8, а устройств, составляющих НИОКР, приведена на рис. 9.

Устройство «КОЭХ И»: проточный электролизер Ду 150 Ру 16 с потребляемой мощностью от сети ≤ 3 кВт, напряжением ≤ 36 В импульсным высокочастотным. Паспорт прилагается.

Устройство ЗМПС: магнитно-гидродинамический реактор проточного типа Ду 150 Ру 16. Паспорт прилагается.

Устройство «КОЭХ П»: проточный электролизер Ду 150 Ру 16 с потребляемой мощностью от сети ≤ 10 кВт, напряжением ≤ 36 В постоянным или низкочастотным ≤ 100 Гц. Паспорт прилагается.

Устройство контроля образования отложений УКОО представляет собой стандартный малый теплообменник (Т1) Ду 150ч200, установленный после СБПВ перед защищаемым теплообменником химпроцесса (Т2). В Т1 поддерживается температура охлаждаемой среды (воды) равной температуре химической среды, охлаждаемой в Т2. Регулировка температуры в Т1 осуществляется с помощью электронагревателя (ТЭН) и штатного для химической промышленности КИПиА.

Для проведения НИОКР выполнение специальных проектных работ не предусматривается, так как включение СБПВ и УКОО в технологическую схему охлаждения химпродукта на только одном теплообменнике не меняет ее основных параметров, а именно:

не увеличивает гидравлическое сопротивление теплообменника Т2;

не повышает пожароопасность в отделении охлаждения.

Монтаж СБПВ и УКОО выполняется на основании технического решения на проведение испытаний НИОКР, утвержденного техническим директором КОАО «Азот». В него входит монтажная схема, разработанная специалистами КОАО «Азот» по рекомендациям Исполнителя – ООО «ИГ «Европа-Азия».




ЗАКЛЮЧЕНИЕ


Выполнен ретроспективный обзор фундаментальных исследований в области изучения воды и водных систем за последние 20 лет. Показано, что современные представления о структуре и динамике воды основаны на представлении о бесконечных ветвящихся кластерах.

Выполнен обзор о развитии методов безреагентной очистки воды за последние 20 лет. Показано, что основным направлением очистки водных систем по-прежнему являются гидромеханические, прежде всего фильтро-адсорбционные технологии, а средством повышения их эффективности является улучшение характеристик сорбентов за счет использования нано-материалов и дальнейшая компьютеризация процесса фильтрации.

Выполнен обзор способов безреагентной очистки поверхности технологического оборудования. Показано, что сточки зрения технологии химического производства наиболее привлекательными являются методы, основанные на использовании магнитных, электромагнитных и акустических полей.

Даны исходные данные для принятия технического решения специалистами КОАО «Азот» по монтажу экспериментального оборудования и проведения испытаний.



^ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


Маленков Г.Г. Структура воды. // Физическая химия. Современные проблемы / Под. Ред. Я.М. Колотыркина. – М: Химия, 1984. С. 41-76/

Stanley H.E. // J. Phys. A.-1979.- 12 – P. L329-L337.

Stanley H.E., Teixeira J.J. // Chem. Phys. -1980. – 73. – P. 3404 – 3416.

Stanley H.E., Teixeira J.J., Geiger A., Blumberg R.L. // Phys. A. – 1981. – 106. – P. 260 – 277.

Pouling L. The Hydrogen Bonding / Ed. D. Hadjj. - L., - 1959. – P. 1-6.

Nemety G., Scheraga H.A. // J. Chem. Phys. – 1962. – 36. – P. 3382 – 3416.

Eaves J.D., Loparo J.J., Fesko Ch.J. et al. // Proc. Nat. Acad. Sci. – 2005. – 102, -№ 37. – P. 13019 – 13022.

Медведев Н.Н. Метод Вороного – Делоне в исследованиях структуры некристаллических систем. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. – 209 с.

Пат. 2182508 России, МПК В 01 D 21/02. Опубл. 20.05.2002.

Пат. 2230595 России, МПК В 01 D 21/02. Опубл. 12.06.2004.

Казаков В.Д., Чуприн В.Р., Толстой М.Ю., Белоокая Н.В. // Водоснабжение и санитарная техника. – 2004, - № 5. – С. 28-30.

Пат. 6793057 США, МПК B 01 D 33/68. Опубл. 21.09.2004.

Андриенко О.С., Николаев Г.В., Кривошеев В.В., Кривошеев А.В., Быков И.Н., Быков А.И., Сафонов Г.А. Система безреагентной подготовки воды на базе устройства «Декарбон» // Экологические проблемы и техногенная безопасность строительства, эксплуатации и реконструкции нефтегазопроводов. Новые технологии материалы: Сборник материалов Международного Научно-Производственного Форума. Томск: Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, 2005, С. 91-93.

Андриенко О.С., Николаев Г.В., Кривошеев В.В., Кривошеев А.В., Быков И.Н., Быков А.И., Сафонов Г.А. Система безагрегатной подготовки воды на базе устройства «Декарбон» // Международный журнал «Трубопроводная арматура и оборудование». – Минск, 2005, №2, С.50.

Патент РФ № 2158713 от 15.12.1999 г.

Мананков А.В., Локтюшин А.А., Баев С.Ю. Динамика структуры F-агрегатных центров окраски в кристаллах // Тез. докл. VI Всесоюз. симпоз. по изоморфизму. М., 1988. С. 135.

Локтюшин А.А., Мананков А.В. Пространственно-замкнутые динамические структуры //Изд-во ТГУ, Томск, 1996. 121 с.

Свидетельство на полезную модель РФ № 11570 от 20.04.1999 г.

Патент РФ № 2208592 от 24.05.2002 г.


Приложения к отчету.

Технические паспорта на оборудование, изготовленное по авторским методикам ООО «НПК «РИТАЛ» и ГП «НПЦ «Примех»5>