Steam condensate purification by the electromagnetic treatment method

Full Text

Введение

Известно [1], что соли жёсткости значительно уменьшают срок службы технологического оборудования и понижают эффективность теплового нагрева. В практике существует множество способов для устранения данной проблемы. Электромагнитные и магнитные методы являются хорошей альтернативой классическим методам снижения жёсткости воды, поскольку они неинвазивные, дешевые, не требуют добавления химических веществ в воду, что благоприятно влияет на окружающую среду.

Проведённые ранее работы способствовали формированию основного решения, связанного с применением электромагнитного поля для равномерного потока ионов солей жесткости в воде и, соответственно, её очистке. Так, хорошо известно, что повышенная жёсткость воды отрицательно влияет на системы горячего водоснабжения как в бытовых, так и в промышленных теплообменных устройствах. В начале 2000-х гг. значительно возрос интерес к таким темам, как устранение жёсткости воды, предотвращение накипи и другим, связанным с умягчением воды. Это обусловлено необходимостью предотвращения образования накипи, солей жесткости для высокоэффективных систем теплообмена, а также систем энергосбережения и др.

Известно [2], что повышенное содержание солей жёсткости влияет на качество питьевой воды и делает ее непригодной для питья. Во избежание этого применяются различные методы для уменьшения жесткости воды и образования накипи. Самыми распространенными являются [3, 4]:

• химическое умягчение;
• использование ингибиторов для предотвращения осадкообразования;
• катионный обмен;
• электромембранная обработка;
• магнитные и электромагнитные методы.

Главная задача современных промышленных предприятий состоит в уменьшении водопотребления и сброса сточной воды в окружающую среду. При этом наличие замкнутых циклов водоснабжения становится приоритетной задачей. Эти мероприятия направлены на минимизацию антропогенного воздействия на окружающую среду [5].

Сегодня человечество стремится свести к минимуму негативное воздействие развития технологий на экологию. Одним из эффективных шагов является использование приборов, полностью безопасных для окружающей среды, что способствует выстраиванию гармоничных отношений между человеком и природой [6, 7]. Данная работа решает все вышеупомянутые проблемы и направлена на сокращение объёма сточных вод в процессе их деминерализации методом обратного осмоса.

В настоящее время все предлагаемые технические решения должны быть [8]:

• энерго- и ресурсосберегающими;
• экологически безопасными;
• экономически целесообразными;
• высокоэффективными.

В настоящее время мембранные технологии достаточно широко используются из-за своих низких энергетических затрат на процессы фильтрации. Вышесказанное прогнозирует применение мембранных технологий как технологий будущего. Ежегодно объём их использования в экономически развитых странах возрастает на 20–25%. Так, использование мембран в процессах ультрафильтрации и обратного осмоса позволяет концентрировать продукт, очищать раствор и пр. при низком уровне энергопотребления. В связи с этим разработка способов получения новых ионообменных мембран для опреснительного оборудования имеет очень большое практическое значение.

В настоящее время известно [9, 10], что электро- и баромембранные процессы в сочетании с другими инновационными методами могут значительно увеличить их производительность.

Значение мембранной технологии в последние годы заметно возросло, поскольку данная технология способна навести мост, соединяющий промышленность и экологию. Жизненная необходимость широкомасштабного внедрения мембранных процессов определяется такими факторами, как применение в области обеспечения национальной безопасности, решение наиболее острых социально-экономических и экологических проблем: повышение качества воды и возвращение её в голову технологических процессов приведет к росту энергоэффективности и экологичности, а разработка импортозамещающих технологий поспособствует созданию новых рабочих мест и развитию инфраструктуры промышленных и отдаленных регионов. Это предопределяет перспективы практического использования мембранных технологий в сочетании с другими инновационными методами – гибридных технологий – в ближайшем будущем [11].

В Институте химических наук им. А.Б. Бектурова, в лаборатории ионообменных смол и мембран под руководством академика Национальной академии наук Республики Казахстан Ергожина Е.Е. с начала 2000-х гг. проводились работы по очистке сточных вод различных промышленных предприятий с использованием электрохимических и баромембранных технологий [12, 13]. Применение метода обратного осмоса предоставляет отличную возможность возвращать в производство очищенную воду на различных предприятиях нашей республики.

Целью данной работы является очистка парового конденсата Павлодарского нефтехимического завода (далее – ПНХЗ) с использованием импульсной электромагнитной обработки в процессе обратного осмоса.

Материалы и методы

Для проведения данной работы был выбран прибор настенного типа – электронный преобразователь солей жёсткости «Термит» (рис. 1). Прибор «Термит» обрабатывает воду электромагнитными волнами, чем не только препятствует образованию накипи, но и удаляет накипь уже имеющуюся в оборудовании. Разработчиком является компания «Экосервис Технохим-М» (Россия).

 

Рисунок 1. Электронный преобразователь солей жёсткости

Figure 1. Electronic converter of hardness salts

 

Принцип действия прибора заключается в генерировании электромагнитных волн с постоянно меняющимися длиной, частотой и амплитудой колебания. Поток излучаемых волн передаётся в протекающую по трубопроводу воду по проводам излучателям и концентрируется в месте намотки. В процессе их воздействия изменяется структура отложений на стенках, и они теряют возможность кристаллизоваться и впоследствии осаждаться на стенках в виде накипи. В конечном итоге они остаются в воде в виде осадка [14].

Принцип действующих электромагнитных приборов умягчения воды заключается в комплексном многофакторном воздействии магнитного поля на растворённые в воде гидратированные ионы металлов, структуру гидратов и водных ассоциатов. В связи с этим меняется скорость электрохимической коагуляции дисперсных заряженных частиц в потоке намагниченной жидкости, и образуются центры кристаллизации одинакового размера. Таким образом, создаваемое динамическое электромагнитное поле изменяет структуру кристаллов солей переменной жёсткости, которые вследствие этого не оседают на внутренней поверхности трубопроводов, а уже имеющиеся отложения постепенно разрушаются и удаляются потоком воды.

Результаты и их обсуждение

В ходе выполнения исследований совместно с ТОО «Мембранные технологии» была разработана технологическая схема, а также техническая документация на изготовление пилотной установки производительностью по очищенной воде 300 л/ч (рис. 2).

 

Рисунок 2. Технологическая схема пилотной установки производительностью 300 л/ч

Figure 2. Process flow diagram of a pilot plant with a capacity of 300 l/h

 

Описание технологической схемы пилотной установки следующее: исходная вода подаётся на механический фильтр Ф1 с порогом фильтрации 130 мкм, затем на фильтр тонкой очистки Ф2 с порогом фильтрации 5 мкм. Насосом высокого давления (далее – НВ) вода подаётся на два обратноосмотических аппарата А1 и А2. Перед НВ, после точки врезки рециркуляционной линии на трубопроводе устанавливается прибор электромагнитной обработки воды. Расходы концентрата, пермеата и рециркуляции концентрата контролируются по ротаметрам Р1, Р2, Р0 соответственно. Работа фильтров Ф1 и Ф2 контролируется по перепаду давления (манометры М1–М3). Работа элементов обратноосмотических аппаратов А1–А2 контролируется по ротаметрам Р1, Р2, Р0 и по перепаду давления на манометрах М4 и М5. Установка работает по проточной схеме, т.е. пермеат и рассол сбрасываются в канализацию.

С целью выполнения дальнейших работ была разработана конструкторская документация и изготовлена пилотная установка (рис. 3).

 

Рисунок 3. Общий вид пилотной установки

Figure 3. General view of the pilot plant

Габариты установки: 1850×800×800. Вес: 100 кг

Dimensions: 1850× 800×800. Weight: 100 kg

 

Общий вид пилотной установки, смонтированной на территории цеха № 8 (установ- ка Е-909) ПНХЗ, представлен на рис. 4.

 

Рисунок 4. Общий вид смонтированной на территории установки ПНХЗ

Figure 4. General view of the unit installed at the Pavlodar Petrochemical Plant

а) вид спереди / front view;

б) вид сзади / back view

 

Испытания смонтированной на территории ПНХЗ пилотной опреснительной установки показали, что в течение первых шести дней произошло загрязнение картриджных фильтров ионами Fe³⁺, вследствие чего установка была остановлена для замены картриджей. Фотографии фильтров до и после проведения испытаний представлены на рис. 5–6.

 

Рисунок 5. Фильтр картриджного типа до проведения испытаний

Figure 5. Cartridge type filter before test

 

Рисунок 6. Фильтр картриджного типа до проведения испытаний

Figure 6. Cartridge type filter before test

а) общий вид / general view; б) в разрезе (вид сверху) / cross- section (top view)

 

В табл. 1 представлены требования к очищенному паровому конденсату от ПНХЗ. Результаты проведённых анализов исходного и очищенного паровых конденсатов представлены в табл. 2.

 

Taблица 1. Требуемые нормы к очищенному водяному паровому конденсату

Table 1. Required standards for purified water steam condensate

Показатели качества Quality indicators	Норма Regulatory standard
Прозрачность по шрифту, см, не менее Snellen transparency, cm, not less than	40
Жёсткость общая, мкг-экв/кг Total hardness, µg-eq/kg	5
Содержание соединений железа (в пересчете на Fe), мкг/кг, не более Content of iron compounds (in terms of Fe), µg/kg, not more than	50
Водородный показатель (рН), ед. Potential of hydrogen (pH), units	6,8–7,5
Содержание нефтепродуктов, мг/кг, не более Oil products content, mg/kg, not more	0,3
Удельная электропроводность, мкСм/см Specific electrical conductivity, μSm/cm	5
Взвешенные вещества, мг/кг Suspended substances, mg/kg	отсутствие none

 

Taблица 2. Результаты анализа исходного и очищенного парового конденсата

Table 2. Results of analysis of the original and purified steam condensate

Определяемый показатель Indicator to be determined	1-й день Day 1	2-й день Day 2	3-й день Day 3	4-й день Day 4	5-й день Day 5	6-й день Day 6	7-й день Day 7	8-й день Day 8	9-й день Day 9
Общий поток конденсата
Взвешенные вещества, мг/дм³ Suspended substances, mg/dm3	н/о	н/о	н/о	н/о	н/о	н/о	н/о	н/о	н/о
Железо общее, мкг/дм³ Total iron, µg/dm³	68	72	83	62	69	78	84	75	71
Жёсткость общая, мкг-экв/дм³ Total hardness, µg-eq/dm³	2,4	0,8	36	9,6	2,4	1,6	1,6	1,6	2,4
Кремниевая кислота, мкг/дм³ Silicic acid, µg/dm³	29	23	5	47	35	17	35	5	11
Нефтепродукт, мг/дм³ Petroleum product, mg/dm³	0,05	0,07	0,1	0,06	0,05	0,07	0,08	0,04	0,07
pH	6,91	7,02	7,02	6,99	7,35	7,07	6,75	6,96	7,22
Солесодержание, мг/кг Salt content, mg/kg	˗	˗	3,29	˗	˗	˗	˗	˗	˗
После установки обратного осмоса / After reverse osmosis
Жёсткость общая, мкг-экв/дм³ Total hardness, µg-eq/dm³	1,6	1,6	2,4	0,8	1,6	1,6	1,6	1,6	2,4
pH	6,45	6,59	6,5	6,54	6,32	6,58	6,51	6,35	6,39
Удельная электропроводность, мкСм/см Specific electrical conductivity, μSm/cm	˗	5,2	˗	˗	˗	˗	˗		3,8
Железо общее, мкг/дм³ Total iron, µg/dm³	84	78	51	43	37	25	19	15	10
Солесодержание, мг/кг Salt content, mg/kg	3,29	˗	˗	˗	1,26	˗	˗	˗	1,26

 

Видно, что в пробах очищенной воды после обратноосмотической установки общее солесодержание снизилось до 1,26 мг/кг, а содержание общего железа с 84 до 10 мкг/ дм³. При этом рН воды остается практически неизменным.

Результаты дальнейших испытаний изготовленной пилотной обратноосмотической установки и её технические характеристики представлены в табл. 3. Фото изъятых мембранных и фильтрующих элементов по завершении испытаний пилотной установки представлены на рис. 7–8.

 

Taблица 3. Технические характеристики работы обратноосмотической установки

Table 3. Technical characteristics of the reverse osmosis unit

Дата Date	Причина контроля Check reason	Рвх.	Рвых.	Qперм.	Qконц.	Qрецирк.	Сисх.	Свых.
1-й день / Day 1	ПНР commissioning work	6,5	5,0	600	250	108	0,22	0,010
2-й день / Day 2	снижение производительности reduced performance	8,062	7,0	640	300	360	0,22	0,02
3-й день / Day 3	ПНР	8,06	6,0	600	360	360	0,05	0,01
4-й день / Day 4	контроль / check	8,0	7,0	490	360	360	0,05	0,01
5-й день / Day 5	контроль / check	8,0	7,0	490	360	360	0,05	0,01
6-й день / Day 6	контроль / check	8,0	7,0	490	360	360	0,05	0,01
7-й день / Day 7	контроль / check	8,0	7,0	490	360	360	0,05	0,01
8-й день / Day 8	контроль / check	8,0	7,0	500	360	360	0,07	0,02

ПНР – пусконаладочные работы / commissioning work

Р_вх – давление на входе, бар / inlet pressure, bar; Р_вых – давление на выходе, бар / outlet pressure, bar; Q_перм. – производительность пермеата, л/ч / Permeate capacity, l/h; Q_конц. – производительность концентрата, л/ч / concentrate capacity, l/h; Q_{рецирк.} – производительность рециркуляционной воды, л/ч / recirculation water capacity, l/h;С_исх. – общее содержание растворенных твёрдых веществ на входе, РРМ / Total dissolved solids content at the inlet, РРМ ; С_вых. – общее содержание растворенных твердых веществ на выходе, РРМ / total dissolved solids content at the outlet, РРМ

 

Рисунок 7. Фото изъятых мембранных элементов после проведенных испытаний

Figure 7. Photos of the removed membrane elements after tests

а) в разрезе / cross-section; б) в развернутом виде / unfolded

 

Рисунок 8. Фото фильтрующего элемента после завершения длительных испытаний

Figure 8. Photo of the filter element after completion of long-term tests

 

Заключение

Проведённые на территории ПНХЗ испытания по очистке парового конденсата методом импульсной электромагнитной обработки в процессе обратного осмоса показали положительный результат. Установлено, что в пробах очищенной воды общее солесодержание снизилось до 1,26 мг/кг, а содержание общего железа с 84 до 10 мкг/ дм³.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Источник финансирования. Данное исследование было выполнено в Институте химических наук им. А.Б. Бектурова по программе BR21882220 целевого финансирования научных исследований на 2023–2025 гг., осуществляемого Комитетом науки Министерства образования и науки Республики Казахстан.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией). Наибольший вклад распределён следующим образом: Ковригина Т.В. – написание статьи, сбор пилотной установки, сбор материалов; Хакимболатова К.Х. – написание и редактирование статьи, сбор пилотной установки, проведение испытаний; Чалов Т.К. – анализ и проверка результатов, предоставление консультаций.

ADDITIONAL INFORMATION

Funding source. This study was performed at the A.B. Bekturov Institute of Chemical Sciences under the BR21882220 program for targeted financing of scientific research for 2023–2025, carried out by the Science Committee of the Ministry of Education and Science of the Republic of Kazakhstan.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Authors’ contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work. The greatest contribution is distributed as follows: Tatyana V. Kovrigina – writing the article, assembling the pilot plant, collecting materials; Kamilla Kh. Khakimbolatova – writing and editing the article, assembling a pilot plant, conducting tests; Tulegen K. Chalov – analysis and verification of the results, provision of consultations.

About the authors

Tatyana V. Kovrigina

A.B. Bekhturov Institute of Chemical Sciences

Email: kovriginatat@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6073-1946
Scopus Author ID: 23389403900

Cand. Sc. (Chemistry), professor (associate)

Kazakhstan, Almaty

Kamilla K. Khakimbolatova

A.B. Bekhturov Institute of Chemical Sciences

Author for correspondence.
Email: ics_kamila@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4520-5830
Scopus Author ID: 23389542200

Cand. Sc. (Chemistry), professor (associate)

Kazakhstan, Almaty

Tulegen K. Chalov

A.B. Bekhturov Institute of Chemical Sciences

Email: chalov.45@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7204-9490
Scopus Author ID: 10041096000

D. Sc. (Chemistry), professor

Kazakhstan, Almaty

References

Supplementary files