К вопросу о массовой кристаллизации

Вестник ДГТУ. Технические науки. №12, 2007

А-

Теплофизика

К ВОПРОСУ О МАССОВОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ Ахмедов Г.Я.

Дагестанский государственный технический университет, Махачкала

Проблема солеотложений в системах теплооборудования остается актуальной и на сегодняшний день. Одним из распространенных видов твердых отложений, которые встречаются при использовании природных вод, является карбонат кальция (СаСОз). Для предотвращения этих отложений используют очистку воды от накипеобразующих компонентов.

Растворение СаСО3 в воде сложным образом зависит от температуры раствора, давления в нем, ионного состава раствора, наличия углекислого газа и т.д. СаСО3 растворяется в воде в виде бикарбоната кальция по следующей реакции:

СаСОъ +Н20 + С02 Ca

При нагревании раствора воды выделяется углекислый газ СО2 и химическая реакция (1) смещается в сторону образования твердой фазы СаСО3. При этом, СаСО3 образуется в растворе в виде кристаллов кальцита или арагонита в зависимости от ионного состава раствора, температуры и давления.

Ранее проведенные исследования по кинетике кристаллизации СаСО3 из растворов различных вод, в том числе и геотермальных, показали, что выделение СаСО3 происходит как в толще воды, так и на поверхности оборудования. Отложения (накипь), образованные на поверхности оборудования, имеют различную плотность в зависимости от гидродинамики потока, концентрации и дисперсности взвешенных частиц СаСО3, а также пересыщения раствора по СаСО3. Но, во всех случаях при наличии пересыщения раствора по СаСО3 , твердая фаза СаСО3 обязательно выделяется как в толще воды, так и на поверхности оборудования [1].

Кинетика выделения твердой фазы карбоната кальция из растворов пересыщенных вод зависит от многих факторов. Однако, как показали исследования, проведенные на геотермальных скважинах г. Кизляра, для удовлетворительного описания кинетики роста твердой фазы карбоната кальция на поверхности геотермального оборудования вполне достаточно учитывать такие параметры как пересыщение раствора по СаС03 (А Ссасоз), концентрация и дисперсность частиц взвеси (m/V, ёч), а также гидродинамика потока (Re) [2]:

dm m

— = F

Аналогичные выводы можно сделать и для растворов других вод, содержащих накипеобразующий компонент СаСО3. При отсутствии пересыщения раствора воды по СаСО3 отложения отсутствуют при любых других параметрах раствора.

Для наблюдения выделения твердой фазы карбоната кальция был исследован еще один раствор подземной воды с химическим составом, мг/л:

К+, Na1 -120; Mg2+ - 20; Са2* - 250, НСО~ - 530; СГ - 90; SO2 - 240.

Раствор помещали в колбу и нагревали в термостате до 100 оС при атмосферном давлении, держали при этой температуре в течение 1 часа. Осадок, образованный при этой температуре был исследован под микроскопом. Осадок представлял собой игольчатые кристаллы карбоната кальция в форме арагонит. Монокристаллы арагонита размером от 5 до 40 мкм образуют между собой скопления, сгустки размером до 100 мкм.

Далее раствор был исследован на зависимость равновесной концентрации ионов Са2, НСО от температуры. Для этого раствор исследуемой воды был помещен в колбу с мешалкой (300 об/мин), которую держали в термостате при заданной температуре в течение 1 часа. Результаты исследований представлены на рис.1.

Са 2+, НСОз~ ,мг/ л

500

400 300

200

100 0

30 40 50 60 70 80 90 100 оС

Рис.1. Равновесные концентрации ионов Са2+ ,НСОэ в растворе для различных температур:

Из рисунка видно, что равновесные концентрации ионов Са2+ ,НСОэ резко уменьшаются в интервале температур от 50 до 80 оС. В этом интервале и наблюдается образование кристаллов карбоната кальция. Особенно этот процесс происходит интенсивно в районе температуры 80 оС.

Наблюдение за отложением твердой фазы карбоната кальция на стенке колбы привели к следующим показателям. При температуре от 50 до 70 оС на стенках колбы образуются отложения карбоната кальция рыхлой структуры плотностью 1, 6 - 1,9 г/см3. При температуре от 80 оС и выше отложения на стенках колбы отсутствуют, вся масса твердой фазы карбоната кальция выпадает в осадок. Исследование пробы воды под микроскопом показали, что при температуре 50 - 70 оС в растворе присутствуют частицы, основная масса которых имеют размеры менее 1 мкм, а при температуре

более 80 оС основная масса частиц имеют размеры в пределах 20 - 40 мкм, которые объединяются в более крупные частицы.

Объяснение такому поведению кристаллов карбоната кальция возможно следующее. Известно, что формирование твердых отложений на стенках теплооборудования происходит как за счет частиц взвеси в растворе, так и за счет молекул накипеобразующих компонентов [3]. Частицы взвеси менее 1мкм,

Рис.2. Осаждение частиц взвеси на стенке оборудования:

1 - частицы менее 1 мкм; 2- частицы размером более 5 мкм; I - толщина вязкого подслоя^- скорость потока раствора.

находящиеся в растворе, при наличии пересыщения раствора по СаСО3, осаждаются на стенке колбы вместе с молекулами карбоната кальция и не смываются потоком раствора со стенки (рис.2). Они остаются в вязком подслое раствора около стенки и рост отложений происходит равномерно по всей поверхности стенки при небольшой скорости. При температуре 80 оС и более, когда идет массовая кристаллизация, частицы взвеси более 5 мкм, объединяясь, укрупняются и на стенке в вязком подслое не удерживаются, т.к. смываются потоком раствора. На стенке тоже идет процесс кристаллизации за счет молекул карбоната кальция и частиц взвеси менее 1 мкм. Но при большой скорости роста отложений на стенке (на неровностях стенки) вновь образованные частицы выходят за пределы вязкого подслоя, что приводит к уносу частиц в поток, тем самым, попадая в осадок. Таким образом, стенка остается свободной от отложений.

В дальнейшем планируется исследование возможности перевода накипеобразующих компонентов для различных вод, в том числе и для геотермальных, в осадок, тем самым, защищая поверхность оборудования от твердых отложений карбоната кальция.

Библиографический список:

1. Ахмедов Р.Б, Новиков Б.Е., Ахмедов Г.Я. Исследование метода предотвращения отложения солей в геотермальных системах путем рециркуляции затравочных частиц //Промышленная энергетика. 1986. №11. с. 41 - 43.

2. Ахмедов Г.Я. Образование взвеси и отложение твердой фазы карбоната кальция в геотермальных системах //Возобновляемая энергетика: проблемы и перспективы (материалы Международной конференции, Махачкала, сентябрь, 2005). Сборник докладов. Махачкала. 2005. С. 242 -246.

3. Потапов В.В., Кашпура В.Н., Алексеев В.И. Исследование роста отложений в геотермальных теплоэнергетических системах //Теплоэнергетика.2001.№5. С. 49 - 54.