Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Технологические основы антикоррозионной обработки трубопроводов сельскохозяйственного водоснабжения и очистки воды при транспортировке

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Технологические основы антикоррозионной обработки трубопроводов сельскохозяйственного водоснабжения и очистки воды при транспортировке"

РГб од

О I С.:\ ¡--Н

УДК 663.63

УДК 663.63:621.647:628.18:541.49

На правах рукописи

САЯХОВ БЕРИК КАРТАНБАЕВИЧ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНТИКОРРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ТРУБОПРОВОДОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ОЧИСТКИ ВОДЫ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ

Специальность 06.01.02. - Сельскохозяйственная мелиорация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Республика Казахстан Тараз

1999

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте нефти и воды

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Жулаев А.Ж.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бондарь А.А кандидат технических наук, с.н.с. Касымбеков Ж.К.

Ведущая организация:

Казахская Государственная архитектурно-строительная академия

Защита диссертации состоится « 2?г> декабря 1999 г. в «/£ » часов на заседании диссертационного Совета КР 14.37.04 при Таразском Государственном Университете им. М.Х. Дулати по адресу: 484022 г.Тараз, ул. Сатпаева 28

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таразского государственного университета им. М.Х. Дулати.

Автореферат разослан «25» ноября 1999 г.

Ученый секретарь регионального диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

с?

нт о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Магистральные водоводы групповых систем водоснабжения, особенно расположенные в Северном и Западном регионах Казахстана, являются единственными источниками хозяйственно-питьевой воды для многих сотен сельских потребителей. Поэтому от технического состояния водопроводов и их надежного функционирования в целом зависит уровень сельскохозяйственного водоснабжения населенных пунктов.

Как показывает многолетний опыт эксплуатации, эффективность применения стальных труб определяется степенью корродированное™ их химическими и механическими отложениями. При интенсивной коррозии внутренней поверхности резко снижается пропускная способность трубопроводов (до 80 %), уменьшается проектная толщина стенок труб (на 3... 5 мм) и повышается аварийность на трубопроводах. Транспортируемая вода усиленно обогащается железом и принимает затхлый запах, создаются благоприятные условия для развития бактерий.

Снижение прочности стенок труб при длительной эксплуатации не всегда позволяет производить очистку коррозионных отложений с использованием известных механических и гидромеханических установок.

В отношении эффективного решения данного вопроса, как в настоящее время, так и в перспективе большой научный и практический интерес представляет широкое использование антикоррозионной защиты труб на стадии эксплуатации путем создания на поверхности металла защитных и пассивных пленок непосредственно из коррозионной среды химическим способом.

Необходимость улучшения качества воды, в том числе минерализованной, требует отработки технологических схем их очистки и усовершенствования конструкции опреснительных установок в соответствии с современными требованиями сельскохозяйственного водоснабжения.

Исходя из вышеизложенного следует, что вопросы направленные на предотвращение коррозии, солевых отложений, а также улучшения процессов очистки и опреснения воды с использованием экологически чистых мембранных технологий, являются актуальными.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой научно-исследовательской работы по программе «Разработка научных основ создания новых комплексонов и их применение в нефтяной промышленности» в рамках фундаментальных исследований МОиН РК (И Гос.регистрации 0197 РК 00486).

Целью настоящей работы является усовершенствование н отработка технологии ингибиторнои защиты внутренней поверхности трубопроводов от коррозии и отложений, электродиапизного метода опреснения минерализованных подземных вод.

Задачами исследований являлись: • анализ современного состояния водоводов и технологии их антикоррозион-

ной защиты, способов очистки воды;

• установление коррозионных процессов при транспортировке воды и поведение стали в воде;

• разработка оптимальных составов ингибирующих композиций на основе комплексонов, а также технологических схем их использования;

• разработка элекгродиализатора с улучшенной гидродинамикой и рациональной конфигурацией межмембранных прокладок с удовлетворительной системой распределения потоков;

• опытно-промышленная отработка предложенной технологии и локальной контейнерной опреснительной установки.

Научная новизна:

• разработана и освоена технология ингибиторной защиты трубопроводов от коррозии и отложений сульфатных солей с использованием органических эфиров фосфорной кислоты;

• установлен механизм защитного действия разработанных реагентов и параметры антикоррозионной обработки.

• установлен оптимальный состав ингибиторной композиции из 70% комплексонов и 30% полиакриловой кислоты и экспериментально раскрыт процесс взаимодействия их с потоком;

• отработана технология двухступенчатого опреснения в проточном режиме для получения питьевой воды; ;

• предложены конструктивные решения очистки и опреснения поверхностных и подземных минерализованных вод методом ионного обмена и мембранной технологии.

Практическая ценность работы. Использование разработанных композиций резко снижают коррозионную активность исходной воды и предотвращают отложения в трубопроводах. Срок службы водоводов увеличивается в 2...3 раза за счёт повышения эксплуатационной надежности. Широкое внедрение опреснительных установок контейнерного типа и блока фильтров для очистки воды позволит улучшить качество питьевой воды в экологически сложных условиях с наименьшими затратами. Автор выносит на защиту:

• результаты исследования усовершенствованной технологии ингибиторной защиты внутренней поверхности трубопроводов от коррозии и солеотложе-ний;

• оптимальный состав ингибирующих композиций (70% комплексонов и 30% полиакриловой кислоты) и технологические схемы их использования;

• опытно-промышленные данные по использованию электродиализатора с улучшенной гидродинамикой и рациональной конфигурацией межмембранных прокладок.

• результаты испытаний технологической схемы и конструкции опреснительной установки контейнерного типа с автономным источником питания.

Методы исследовании. Исследования ингибирующей способности предлагаемых комплексонов и композиций проводились н статических условиях как гравиметрическим (ГОСТ 9.502.-82. «Ингибиторы коррозии металлов для водных систем. Методы коррозионных испытаний»), так и электрохимическими методами. Стабилизирующую способность ингибиторов определяли в статических и динамических условиях при различных температурах. Содержание катионов солей жесткости изучали комплсксонометрическим методом, потенциометрическим титрованием согласно Государственным стандартам.

Реализации работы. На основе результатов исследований разработаны и рекомендованы оптимальные концентрации ингибиторов солеотложений и коррозии. Внедрены четыре очистные установки УОВ-0,2 на водоводе Астра-хань-Мангистау и одна опреснительная контейнерная станция в поселке Ур-ксндеу Казалинского района Кзылординской области.

Публикации и апробация работы. Основные результаты опубликованы в 5 печатных работах, в том числе 3 статьях, 2 тезисах докладов на Международных симпозиумах (Женева - 1998 г., Алматы - 1999 г.).

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 125 страницах машинописного текста, иллюстрирована 29 рисунками и 20 таблицами и состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованных источников из 162 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ дано обоснование актуальности темы, приведены основные цели и задачи исследований, сведения о научной новизне и практической ценности работы, апробации разработок и исследований.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассмотрено существующее состояние водоводов и технологий антикоррозионной защиты, способы опреснения воды при транспортировке и пути решения поставленных задач.

Отмечено, что в настоящее время системы сельскохозяйственного водоснабжения находятся в сложном экономическом и техническом состоянии. В большинстве случаев водопроводы, исчерпав свои проектные мощности без своевременного проведения мероприятий по реконструкции и обеспечению эксплуатационной надежности, вышли из строя или эксплуатируются с большими отклонениями от нормативных требований.

В частности, водовод Астрахань-Мангистау с проектной производительностью 260 тыс. м3/сутки в настоящее время обеспечивает подачу воды с объёмом 70...80 тыс. м3/сутки. Пропускная способность его снизилась в 2,0...2,5 раза, что связано, в определенной мере, с усиленной коррозией внутренней поверхности трубопроводов и наличием солеотложений. Такой режим работы отрицательно сказывается на качестве транспортируемой воды и на состоянии трубопровода. Основная часть водоводов по Казахстану, из-за корродированности внешней и внутренней поверхности на 60...70 %, поте-

ряла свои прочностные характеристики и не выдерживает предельного давления.

Анализ показывает, что современные методы борьбы с коррозией, в конечном счете, сводятся к прекращению действий коррозионных микрогальванических элементов на поверхности металла.

В данной главе приведен анализ существующих технологий антикоррозионной защиты и технологических схем опреснения минерализованных вод различными методами мембранной технологии. Показано, что в ближайшее время около 3400 населенных пунктов в Республике Казахстан, составляющих 51,2 % от их общего количества будут находиться в районах с повышенной минерализацией воды (до 10... 12 г/л). При этом подтверждена эффективность электродиализного опреснения. Себестоимость опресненной воды указанным методом с солесодержанием 3...5 г/л на установках с производительностью 25.....500 м3/сутки составляет 25...70 тенге/м3, когда стоимость перевозки воды в автоцистернах - 120... 150 тенге/м3. При дальнейшем развитии технологии опреснения, путем использования установок контейнерного типа с улучшенной гидродинамикой солеизвлечения, эти затраты могут быть еще снижены.

В научно-техническом плане по вопросам сельскохозяйственного водоснабжения и очистки воды отмечены работы J1.E. Тажибаева, М.М. Мырзах-метова, С.Р. Ибатуллина, A.A. Абдураманова, A.A. Бондарь, Р.Ж. Жулаева, Т.Т. Сарсенбекова, Ж.К. Касымбекова и других.

Антикоррозионная обработка трубопроводов с использованием комплек-сонов, ингибиторов и диспергаторов освещена в научных трудах Ю.А.Золо-това, Н.М. Дятловой, К.Х. Токмурзина, Т.К.Айтуарова и других.

Проблемы опреснения воды рассмотрены в различных аспектах в научных исследованиях Н.А.Платэ, А.Г.Первова, Э.М.Балавадзе, В.Д.Гребе-нюка, В.С.Петросяна, В.И.Заболоцкого,.C.B.Зубарева,В.В.Никоненко, А.А.Цхай, Ю.Я.Гранкина, В.П.Кухар, Б.А.Ташмухамедова и других.

Пути решения поставленных задач, по усовершенствованию антикоррозионной обработки трубопроводов и опреснению вод, заключаются в обработке и освоении методов, основанных на создании на поверхности металла пассивных и защитных пленок непосредственно из коррозионной среды на поверхности металла, минуя дополнительные стадии их нанесения. Однако, при содержании сульфатов в водной среде, существующие методы не позволяют получать равномерную и плотную пленку. Это требует разработки технологии ингибиторной защиты трубопроводов от коррозии и отложений малорастворимых сульфатных солей с использованием азотсодержащих органических эфиров фосфорной кислоты, которые способны образовывать в этих средах прочные водорастворимые комплексные соединения. Необходимо также рассмотрение технологической схемы очистки и опреснения вод усовершенствованным методом ионного обмена и мембранной технологии.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ изложены используемые реагенты и их характеристики, методики проведения исследований.

В работе были использованы новые комплсксоиы: -азотсодержащие эфиры фосфорной кислоты

ДАФ - 1-(2-окси-3-фосфатомонопропилам11мо)-3-(2-оксн-3-фосфатомоно-пропокси)- бензол;

ДФС - 4,4 -бис-(2 -окси-3-фосфатомонопропиламино)-дифенилсульфнд

- а также промышленно выпускаемые:

ОЭДФ (Россия) - оксиэтилидендифосфоновая кислота

ИОМС (Казахстан) - ингибитор отложения солей с аминометнлфосфоно-

выми группами;

диспергатор - полиакриловая кислота низкой вязкости (0,09...0,12 Па с) и молекулярной массы 7...8 -103 (ТУ 6-01-1224-80). Объектами исследования являлись воды трубопровода Астрахань-Ман-гистау и подземные воды Приаралья. При этом изучены: щелочность, концентрация бикарбонат- и сульфат-ионов, катионы натрия, магния, кальция, железа и общая жесткость исходной, опресненной воды потенциометриче-ским, комплексонометрическим и аргентометрическим методами.

Защитная способность ингибиторов на поверхности металлических образцов установлена физико-химическим анализами, спектральными методами, а коррозионная стойкость стали, в растворах исследуемых композиций-грави-метрическим методом в статических условиях. При этом, в качестве исследуемых образцов, использованы прямоугольные пластины размерами 10 х 50 х 1 мм, изготовленные из малоуглеродистой стали марки 17Г1СУ. Исследования проводили при температуре 25°, 600 и 100 °С, при свободной аэрации растворов без перемешивания. Образцы подвешивали на капроновых нитях в стаканы из стекла пирекс, емкостью 250 см3. Коррозионной средой служили растворы комплексонов и композиций на их основе с концентрациями растворов равными: 2,0; 5,0; 10,0; 20,0 мг/л.

Для количественной оценки антикоррозионного действия исследуемых композиций проводились контрольные испытания на исходной воде без добавок. Коррозионная стойкость стали в данных растворах определялась по изменению массы образцов во времени и скорости коррозии (VKop):

VkoP= ((m0 - rri|)/S* т) * 1000, (1)

где m0 — масса образца до опыта, г; Ш] — масса образца после удаления отложений, г.; S — площадь поверхности образца, см2; х - время испытаний, сут.

Защитная способность (Z, %) определялась по формуле Z = ((VHcrar-Vin!r)/ VHCH)[r) * 100 % (2)

где V,iailir - скорость коррозии в воде без добавок, мг/см2за сутки; VlfI[r - скорость коррозии в растворе с добавками, мг/см2 за сутки.

При оценке результатов испытаний использовался метод статистической обработки с доверительной вероятностью 0,90.

Исследования процесса электродиализного обессоливания проводились на лабораторных установках, представляющих собой элемент промышленного электродиализатора. Подготовка ионообменных мембран к работе осуществлялась по стандартным методикам. Измерение электропроводности мембран изучалось ртутно-контактным методом на переменном токе кондуктометром ОК-Ю2.

Селективность мембран определялась методом измерения мембранного потенциала при разных концентрациях раствора по обе стороны мембраны (0,01 и 0,2 н. ИаС!). Гидравлическая проницаемость мембран исследовалась при перепаде давления 1 атм, в ячейке с рабочим окном 10 см2.

Определение предельных токов выполнялось на электродиализной ячейке с тремя независимыми трактами и регулируемым источником питания. Математическая обработка вольтамперных характеристик системы произведена в координатах 1Ю -1/ 3 кривых с резким изменением наклона при достижении предельного тока.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ изложены результаты исследования антикоррозионной обработки трубопроводов на основе новых ингибиторов солеотложений и коррозии.

На основе аналитического обзора показано коррозионное поведение стали в воде и влияние химических реагентов (комплексонов) на коррозию металла.

Соли, определяющие жесткость воды, под действием комплексонов связываются в прочные комплексные соединения, которые образуют дополнительный защитный слой на поверхности металла.

При обследовании водовода Астрахань - Мангистау установлено, что коррозионные процессы могут возникать как при наличии растворенного кислорода (на расстоянии 1, 56, 82, 110 км), так и при его отсутствии (на расстоянии 300, 448 км.). В последнем случае коррозионное разрушение происходит под действием солей. Продукты коррозии и отложения малорастворимых солей на контрольных участках имеют темно-бурый цвет, толщиной 3...5 мм. Встречаются грибовидные наросты диаметром до 15 мм и высотой до 20 мм, под которыми имеются коррозионные язвы глубиной до 2 мм. При этом применение фосфатных ингибиторов для предотвращения коррозии и солеотложений не дают положительных результатов. Наиболее опасным для дальнейшей эксплуатации водовода является язвенная коррозия, которая локализуется под грибовидными наростами.

Сравнительная оценка эффективности действия ингибиторов в статических условиях, в целях проведения экспериментов в краткие сроки, была осуществлена в следующем порядке.

На водных растворах с заданной карбонатной жесткостью 6,2 мг-экв/л и общей жесткостью 8,0 мг-экв/л, были апробированы ингибиторы с изменени-

см дозировки в пределах 1,0 ...5,0 мг на 1 л поды. Время выдержки при температуре 60 °С колебалось в большом диапазоне (3, 5, 16, 24, 48 и 72 час ).

Параллельно проводился контрольный опыт с добавлением промышленпо выпускаемых реагентов ОЭДФ и ИОМС.

Оказалось, что применение ингибиторов ДЛФ и ДФС в концентрациях 2,5...5,0 мг/л обеспечивает эффективность ингибирования на уровне 96 % в течение 24 часов. При более длительной термообработке воды эффективность испытуемых ингибиторов снижается.

Наряду с предотвращением карбонатных отложений рассмотрен вопрос по подавлению другого вида отложений - сульфатных или гипсовых. Сульфатные отложения - труднорастворимый вид отложений, не удаляющийся при кислотной обработке.

Исследования проводили с использованием пересыщенных растворов сульфата кальция, с заданной концентрацией, полученных при смешивании эквивалентного количества ШгБОд и взятого в некотором избытке СаСЬ, содержание реагентов ДАФ и ДФС при этом составляло 2, 5, 10 и 20 мг на 1 л. Колбы с растворами выдерживались в термостате при температуре 6011 в течение 24, 48, 72 и 96 часов. Степень ингибирования реагентами определялась визуально, по образованию осадка на дне колб и по результатам химического анализа. Результаты наблюдений и испытаний приведены на рисунках 1 и 2.

Степень предотвращения отложений Степень предотвращения отложений сульфата кальция при его содержа- сульфата кальция при его содержании в растворе 2,5 г/л нии в растворе 4,0 г/л

Ось абсцисс-время, час.; Ось ординат Ось абсцисс-время, час.; Ось ординат

- степень предотвращения, % - степень предотвращения, %

1 -ДАФ; 2-ДФС; 3-ОЭДФ; 4-ИОМС 1 -ДАФ; 2-ДФС; 3-ОЭДФ; 4-ИОМС

Рисунок!. Рисунок 2.

Результаты показывают, что испытанные ингибиторы ДАФ и ДФС предотвращают сульфатные отложения в пределах 90...96 % в течении 96 часов, в то время как ОЭДФ и ИОМС оказывают значительно меньший эффект (7...33%). Рекомендуемая дозировка для использования в производственных условиях находится в пределах 5... 10 мг/л.

Таким образом, установлено, что в растворах с карбонатной жесткостью комплексоны ДАФ и ДФС в дозе 2,5...5,0 мг/л предотвращают образования карбонатных отложений. В растворах, содержащих сульфат кальция, комплексоны ДАФ и ДФС действуют со значительной эффективностью ингибирования (92...96%).

О стабильности пересыщенного раствора свидетельствует низкая весовая и линейная скорости отложения сульфата кальция, определенные методом «ловчих» пластинок в течении одного месяца при содержании в растворах 5 мг/л комплексонов (таблица 1). В исследуемых растворах с ОЭДФ или ИОМС в течении месяца в осадок выпадало более 70 % сульфата кальция.

Таблица 1

Скорость коррозии и отложений сульфата кальция

Концен- Скорость отложений Скорость коррозии

трация ин- Весовая г/м'.ч Линейная Весовая г/м".ч Линейная

гибитора, • ю мм/год •10° мм/год

мг/л •10 "3 •Ю-3

ДАФ

2,5 0 0 9,1 10

3,5 0,2 0,2 11,7 13

6,8 1,71 0,8 14,6 16

ДФС

2,5 0,1 0,2 14 16

3,5 0,3 0,2 13 15

6,8 0,45 0,2 16 18

Определение скорости коррозии металла в присутствии испытуемых реагентов ДАФ и ДФС проводили на образцах углеродистой стали, помещенных в водные растворы сульфата кальция с температурой 60° С. В контрольных опытах без ингибитора весовая и линейная скорости коррозии составляют 0,018 г/м2 ч и 0,02 мм/год, соответственно, при содержании в растворе 6,8 г/л сульфата кальция.

Установлено, что добавка ингибиторов солеотложений не усиливает коррозионные свойства водных сред, а приводит к некоторому уменьшению скорости коррозии, о чем свидетельствуют приведенные данные. Это связано с тем, что наличие остаточного количества солей, не связанных в комп-

лексное соединение, отлагаются на поверхности металла и разрушают защитный слой образуемый комплексоном. Рачрушение защитного слоя отложениями сульфата кальция происходит нсраиномерно, что и приводит к возникновению язвенной коррозии.

Механизм образования отложений представляется следующим образом:

Растворенная соль —> зародыш кристалла —> кристалл —»отложения.

Введение комплексонов предотвращает образование зародышей кристаллов посредством образования растворимых комплексных соединений:

Комплексон + соль —> комплексное соединение + свободная соль.

При больших объёмах транспортируемой воды соль, не связанная в комплексное соединение, может отлагаться на поверхности металла через стадии зародышеобразования и кристаллизации.

Агломерацию кристаллов, приводящую к образованию отложений, было предложено предотвратить путем введения диспергатора, способствующего тонкому распределению кристаллов по всему объему и их выносу потоком транспортируемой воды.

В качестве диспергатора применялась полиакриловая кислота. Исследования проводили с пересыщенными тстворами сульфата кальция (содержание СаБО^ 6,8 г/л и температура 60 С), полученными при смешении эквивалентного количества Ш^БО.! и взятого в некотором избытке СаСЬ. Реагенты ДАФ и ДФС вводили в количестве 5 мг-экв/л. Для сравнения были апробированы методики без использования комплексонов, с ингибитором ОЭДФ и ИОМС в тех же количествах. При отсутствии комплексонов, как и в присутствии ОЭДФ и ИОМС образовывались обильные осадки. Как видно из таблицы 2, вес пластин практически не изменялся при добавлении в раствор 1,5...2,0 мг/л диспергатора. Кроме этого, значительно уменьшалась коррозия пластин до 90...93 %.

Таким образом, рекомендуемая композиция, состоящая из 70 % комплексна ДАФ или ДФС и 30 % полиакриловой кислоты в качестве диспергатора практически полностью предотвращает коррозию н отложение сульфата кальция. При нспользовнии этой композиции в водных системах перед подачей воды потребителю, необходимо производить ее очистку на современных фильтрующих и обеззараживающих установках до санитарно-гигиенических и токсикологических норм.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ рассмотрены результаты исследований гидродинамических и поляризационных характеристик электродиализного аппарата и его технические характеристики.

При разработке и исследовании электродиализных аппаратов основное внимание было обращено на выбор рациональной конфигурации межмембранных прокладок н создание мембранных пакетов с удовлетворительной системой распределения. Созданы две конструкции новых прокладок лабиринтного типа для электродиализных аппаратов Э-400.00 и Э-400.01, на основе которых разработаны опреснительные установки типа ЭДУ и ЭДУ1 с производительностью 25... 100 м'7сутки и 100....300 м"7сугкн.

Таблица 2.

Скорость коррозии и отложений сульфата кальция

Конц. Скорость отложений Скорость коррозии Э (%)

Диспер- весовая линейная весовая линейная Ингиби-

гатора, г/м2.ч мм/год г/м\ч мм/год рования

мг/л •ю-3 ■ю-3 •ю-3 •ю-3 Коррозии

ДАФ

0,5 0,5 0,3 3,6 0,4 80

1,0 0,2 0,1 2,2 0,3 88

1,5 0 0 1,4 0,1 92

2,0 0 0 1,3 0,1 93

2,5 0 0 1,3 0,1 93

ДФС

0,5 0,6 0,3 3,8 0,4 79

1,0 0,3 0,2 2,5 0,3 86

1,5 0,1 • 0,1 1,8 0,2 90

2,0 0 0 1,4 0,1 92

2,5 0 0 1,4 0,1 92

Испытания различных видов прокладок из паронита, поливинилхлорид-ного пластиката, резины и полиэтилена показали, что наиболее рациональной является конструкция межмембранной прокладки из полиэтилена и полипропилена, изготовленная методом литья под давлением. Такая технология изготовления позволяет получать прокладки в промышленных масштабах с заданными геометрическими характеристиками каналов.

Исследования в электродиализном аппарате показали, что максимальные токи утечки соответствуют приэлеюродным камерам. На основании их предельных значений были выбраны размерные характеристики распределительной системы новой прокладки.

Преимущества рабочих камер лабиринтного типа с большим числом мембран (до 500 шт.) позволяют осуществить в аппарате однопакетную систему параллельного питания камер при сохранении высокого электросопротивления распределительной системы. Испытания этой системы на многокамерных аппаратах показали, что она обеспечивает параллельное питание 200...250 камер одного тракта с коэффициентом неравномерности порядка 5... 8%.

Геометрические характеристики каналов прокладок определены на основании экспериментальных данных по гидродинамике и поляризации различных профилей. При этом учитывалось обеспечение достаточной длины пути в активной зоне и максимальное использование площади мембран.

Наиболее рациональной конструкцией элекфодиллизатора для установок малой производительности является аппарат фильтр-прессного типа с вертикальной осью электрического поля. Такая компоновка электродиализного аппарата обеспечивает высокую технологичность их изготовления и не требует подъемного оборудования при эксплуатации. Разработанные конструкции межмембранных прокладок применены в элсктродиализаторах Э-400.00 и Э-400.01. Краткая техническая характеристика исследуемых аппаратов приведена в таблица 3. Мембранный пакет электродиализаторов состоит из 400 рабочих камер и проложенных между ними ионообменных мембран МК-40 и МА-40. Тракты опреснения и концентрирования образуются путем поворота рабочей прокладки на 180° относительно поперечной оси. Пакет рабочих камер защищен с концов системой буферных камер, промываемых опресненной водой для уменьшения утечек тока, имеющих максимальную величину в приэлектродных зонах.

Таблица 3

Технические характеристики электродиализных аппаратов

Наименование показателен Марка аппарата

Э.400.00 Э.400.01

Тип аппарата Однопакетный с вертикальном осью электрического ноля

Тип рабочей камеры Лабиринтный Однопоточный двухпоточный

Количество рабочих камер 400 | 400

Материал прокладок Полиэтилен ПНП ГОСТ 16337-77

Высота камер, см 0,1 0,12

Размер мембран, см 40x40 48x75

Коэффициент использования площади мембран, % 58 68

Длина пути лабиринта, см 600 800

Ширина протока лабиринта, см 1,6 1,4x2

Пропускная способность, м'/час 4,0 8,0

Вес аппарата, кг 300 500

Техническая апробация различных схем опреснения с электродиализаторами лабиринтного типа показала, что наиболее оптимальным является вариант проточной схемы с двумя аппаратами, соединенными последовательно. Такая компоновка гидравлической схемы установки обеспечивает расчетные скорости в рабочих камерах при потерях напора, соответствующих характе-

ристикам промышленных насосов и режим опреснения за один проход при минерализации исходной воды 3...4 г/л. Наличие циркуляционных баков и возвратных линий делает возможным использование любой схемы опреснения. Исходная вода поступает в бак диализата (опресненной воды) и бак концентрата через регуляторы уровня.

Во время опытной эксплуатации определены зависимости потерь напора в аппаратах с различным числом рабочих камер от скорости потока, а также гидродинамические сопротивления в одно-, двух - и трех-ступенчатых схемах.

ДН = 14* Ь* (3)

где Д Н - потери напора, м.вод.ст.,

Ь - длина пути в камере опреснения, м V - скорость потока в камере, м/сек По вольтамперным характеристикам аппарата установлены предельные плотности тока в диапазоне скоростей 10....25 см/сек для различных концентраций (Рисунок 3).

Вольтамперные характеристики системы в 0,023 н растворе №С1

Ось абсцисс-отношение напряжения к силе тока, в/а. Ось ординат - обратное значение силы тока, а'1 1-13,2 см/сек; 2-15,2 см/сек; 3-18,9 см/сек; 4-23,7 см/сек.

Рисунок 3.

Получены выражения для деполяризационной скорости диализата, позволяющие определять Укрт. с достаточной степенью точности. Укр,^ > 0,08 У Са - для вод хлоридного класса,

Укрит- > 0,115 ¡/ С<1 - для вод сульфатно-хлоридного класса, где У^р.гг. - скорость диализата, м/с, 1 - плотность тока, А/м2, С л -расчет-пая концентрация в аппарате, г-экв/м3.

Сопоставление предельных плотностей тока и растворах №С1 и полиионного состава ( содержание БО^' = 0,75 ) показывает, что величины предельных плотностей тока на природной жесткой воде ниже на 30...50%, что хорошо согласуется с экспериментальными данными, полученными в одно-компонентных электролитах различного состава.

Оказалось, что превышение плотностей тока выше предельных значений вызывает резкий рост электросопротивления элсктродиализных аппаратов, а также развитие отложений на мембранах в виде осадков труднорастворимых соединений. Поэтому на установках малой и средней производительности целесообразно вести процесс опреснения с максимальным приближением к предельным плотностям тока. Предельная степень снижения солесодержания в электродиализном аппарате а,ф=Ск0И./Сшч зависит от_ геометрических характеристик рабочей камеры:

1п(1/ач,)= 10,4 (Ь* ту (К* с1)), (4)

где С шч - концентрация солей в исходной воде, С Ш1. - концентрация солей в опресненной воде, 1 - длина пути лабиринта, с! - высота рабочей камеры, т| - выход по току, К - коэффициент, характеризующий деполяриза-ционные способности.

Задаваясь значениями Снач и СКОн и параметрами электродиализного аппарата, можно определить фактическое значение а :

а = (Сшч/Ск0„)|/П> акр, (5)

где п - число ступеней опреснения. Используя величину а, вычисляли снижение концентрации и расчетную текущую концентрацию диализата на п -ой ступени опреснения:

ДСП = а* С„ач * (1- а), (6)

Ср„ = а* С,шч * (1- а) / 1п 1/а, (7)

Плотность тока на аппарате определяется выражением: ¡=У*Ср/К , Рабочий ток на аппарате вычисляется по формуле: I = I , где Б - активная площадь мембраны.

Установлено, что электродиализный метод обеспечивает получение воды питьевого качества по ГОСТу 2874-82 «Вода питьевая». Расход электроэнергии составляет 2...3 квт/ч. на 1 м3 опресненной воды (для сравнения - удельные затраты на опреснение дистилляцией составляют 50 квт.ч./м3 и выше). Расход сбросных вод равен 30-50% от производительности установки. По-

вышепие эксплуатационной надежности и применение иопселективных мембран с улучшенными электрохимическими характеристиками позволит в дальнейшем снизить себестоимость 1м3 опресненной воды.

Себестоимость опресненной воды в значительной мере зависит от срока службы ионообменных мембран, на которые приходится 50% стоимости опреснительных установок. Ориентировочный срок службы мембран по данным завода-изготовителя (Щекинского химкомбината) составляет 5 лет.

В связи с отсутствием данных по изменению физико-химических свойств ионообменных мембран, эксплуатируемых в промышленных условиях, были проведены исследования характеристик мембран в течение длительной эксплуатации.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ приведены результаты технологических испытаний и эксплуатационные показатели опреснения и очистки воды. .

Опытно-промышленная проверка эффективности использования автономных опреснительных установок производилась в поселке Уркендеу Казалин-ского района Кызылординской области. Общая минерализация исходной воды составляла 2732 мг/л, которая относится к сульфатно-хлоридному классу. Принципиальная гидравлическая схема установки приспособленная к двухступенчатому опреснению в проточном режиме показана на рисунке 4. Она позволяет осуществлять возврат рассола и диализата на всасывающую линию соответствующего насоса, что уменьшает габариты установки. Переключение гидравлических трактов при изменении полярности осуществляется в ручном режиме. Общий вид данной установки в утепленном 20-футовом контейнере показан на рисунке 5.

Продолжительность опытной эксплуатации составила 500 часов. При этом была достигнута производительность равная 3 м3/ч, а потребляемая мощность не превышала 4,0 квт.

Схема с двумя электродиализными аппаратами, соединенными последовательно, обеспечивает расчетную скорость в рабочих камерах при оптимальных потерях напора и опреснение в проточном режиме при минерализации воды 3-4 г/л.

Очистка воды, подаваемая к опреснителю или непосредственно к потребителю осуществляется с использованием фильтрующих элементов по следующей технологической схеме, рисунок 6.

Анализ воды, очищенной установками УОВ - 0,2, входящими в состав указанной технологической схемы (таблица 4), показывает, что она после очистки полностью соответствует требованиям ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая». При этом производительность установки составляет 2 м3/суткн, а потребляемая мощность 0,5 квт. Улучшению качества питьевой воды способствует также наличие системы ультрафиолетового обеззараживания и фильтрации (рисунок 7).

Внедрение результатов экспериментальных исследований новых ком-плексонов ингибиторов в производственных условиях проводилось на водоводах Астрахань - Мангистау.

Принципиальная схема Компоновка ЭДУ в

электродиализной установки контейнере 1С

Н1-Н2-Насосы

В1-В2 - Вентили напорные

ВЗ-В4 - Вентили рециркуляционные

В5-В12 - Вентили гидрореверса

Р1-Р2 - Ротаметры

Ф1-Ф2 - Фильтры механические

ПУ-пульт управления Г - генератор

ЭДА - электродиализный аппарат

V = 5 м' -ёмкость для воды

Рисунок 4

Рисунок 5

Технологическая схема очистки воды

Бак исходной воды. 2-Бак питьевой воды. 3- Насос. 4 - Фильтр тонкой очистки. 5 - Фильтр угольный. 6- Фильтр обезжелезивания. 7- Стерилизатор ультрафиолетовый. 8-Вентиль входной.

Рисунок 6 Блок обеззараживания и фильтрации

1-фильтр механический; 2-Фильтр угольный; З-Фильтр обезжелезивания;

4-Насос; 5-Обеззараживатель ультрафиолетовый; 6-Адаптер сетевой; 7- Сигнализатор уровня; 8-Рама; 9-Вентиль входной; 10-Вентиль выходной

Рисунок 7.

Таблица 4

Основные показатели воды, очищенной установками УОВ-0,2

Основные показатели Очищенная вода Требования к воде (ГОСТ 2874-82, вода питьевая)

Опорная Бейнеу Сай-Утес г.Ак-тау

Мутность,мг/л 1,0 1,2 1,2 1,0 не более 1,5

Цветность, 1,0 1,2 1,2 1,0 не более 1,5

Запах при 20°,баллы 0 0 0 0 не более 2

Запах при 60°, баллы 0 0 0 0 не более 2

Вкус, баллы 0 0 0 0 не более 2

Железо,мг/л 0,05 0,05 0,05 0,05 не более 0,3

Контрольное обследование, проведенное через 1,2 месяца, после внесения внедряемого реагента антикоррозионной обработки, показало, что действительно образуются защитные пленки из коррозионной среды и не обнаруживались явные следы язвенной коррозии. Прослеживалось преимущество предлагаемого ингибитора в сравнении с используемым ингибитором коррозии К\У-2353 фирмы «Петролайт», особенно, в части предотвращения образования сульфатных отложений.

ВЫВОДЫ

1. Анализ существующего состояния трубопроводов сельскохозяйственного водоснабжения показывает, что снижение их пропускной способности и эксплуатационной надежности связано с усиленной коррозией внутренней поверхности и наличием солеотложений в стальных трубах.

2. Доказана технологическая необходимость антикоррозионной защиты эксплуатируемых водоводов, изготовленных из стальных труб путем создания на поверхности металла пассивных и защитных пленок непосредственно из коррозионной среды.

3. Усовершенствованная технология ингибиторной защиты трубопроводов от коррозии и отложения сульфатных солей с использованием органических эфиров фосфорной кислоты может служить основой для предотвращения коррозии в период ее формирования.

5. Наиболее перспективным направлением подбора эффективных ингибиторов, не требующих больших затрат, является путь поиска синергетических и стабилизирующих добавок, т.е. путь создания композиций. Рекомендуемая композиция состоит из 70 % комплексонов и 30 % диспергаторов.

6. Разработан и создан опытный электродиализатор с улучшенной гидродинамикой. Изготовлена опытная партия межмембранных прокладок. Определены предельные параметры нового аппарата, выведена эмпирическая зависимость для критической скорости, установлены электрохимические и энергетические показатели аппарата в растворах NaCI различной концентрации. Изучена скоростная зависимость потерь напора в камерах аппарата, получена эмпирическая зависимость для величин потерь напора.

7. Определена скоростная зависимость предельной плотности тока и эксплуатационные показатели элеюродиализного аппарата на природной жесткой воде.

8. Разработана технологическая схема, конструкция опреснительной установки контейнерного типа с автономным источником питания и изготовлена опытно-промышленная электродиализная опреснительная установка. Проведены полупромышленные испытания в поселке Уркендеу Казапинского района Кзыл-Ординской области.

9. Внедрены ионообменные методы очистки воды в четырех населенных пунктах Западного Казахстана. Установлено, что вода полученная после использования очистных установок УОВ - 0,2 соответствует ГОСТу и ингибиторы солеотложений и коррозии удаляются полностью.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Cayahov B.K. Aminophosphonic acids and their complex formation with the ions of transient metals. 37 th IUP AC Congress, Geneva.-17-22 August 1998. P. 1023-1026.

2. Саяхов Б.К. Применение комплексона -N-винилоксиэтил-аминодиметиленфосфоновой кислоты для тампонажных растворов./Сб.тр. «Экология и современное технологическое общество».- Егорьевск: МГТУ «Станкин»,- 1999,-С. 143 - 148.

3. Саяхов Б.К.Ингибиторы солеотложений и коррозии для транспортировки нефти и воды //Сб.науч.тр. Международного симпозиума, посвященного 100-летию со дня рождения К.И.Сатпаева. Ч.1.- Алматы, 1999. - С.361-364.

4. Саяхов Б.К., Жулаев А.Ж. Ингибиторы солеотложений для транспортировки воды. - Алматы. (Деп.в КазгосИНТИ, 26.10.99, № 8696 - Ка 99).

5. Саяхов Б.К., Жулаев А.Ж. Опреснение и очистка воды для сельского хозяйства.- Алматы. (Деп. в КазгосИНТИ 26.10.99 г. № 8697 - Ка 99).

Б.К,.Саяк,овтын, Ауылшаруашылыгын сумен к,амтамасыз ету кубырларын тотыгуга карсы ундеу мен суды тасымалдау кезЫде тазалаудын технологиялык, непздер1н такырыбына жазылган диссертациялык, жумысынын,

ТУЖЫРЫМЫ

Диссертация 125 бетке жазылган. Ол 29 суреттен, 20 таблицадан, 140 атаулы пайдаланылган эдебиеттен, косымшадан турады. Непзп бел1п юрюпеден, бес бел1мнен жэне корытындылардан к,урастырылган.

Бул жумыстын, мак;саты - су кубырларыныц ¡иш беттер'т тотыгудан жэне туз шепндшершен ингибиторлы технология аркылы сактауды жэне тузды суларды электродиализдж эдюпен тущыландыруды жеттд1ру жэне к,алыптастыру.

Казахстан ауылшарушылыгын ауыз сумен *;амтамасыз етудщ к,аз'|рп жагдайы, к,убырларды тотыгудан сактаудын белпл1 жолдары жане тузды суларды тущыландырудык эд1стер1 талданган.

Болаттан жасалган к,убырларды ингибиторлык, сактаудын, жана технологиясы зерттелген. Бул технология бойынша химиялык, жолмен металл бетше б1ртепс тотыгудан коргайтык жук;а к,абык,ша пайда болады.

Жасалынган технологиянык сульфат шопндтер1н ыдырату ттмдтИ - 94... 100 % , ал енд1р1ст улпж к,олдангандагы децгей1 7...33 % -тен аспайды.

Усынылып отырган реагент жиынтыгы 70 комплексоннан жэне 30 диспергатордан турады.

Гидродинамикасы мен мембранааралык, тесем1 жеттд1ртген электродиализатордын сынак,тьщ улгю

жасалган. Ауылдык жерлерд! жогары сапалы ауыз сумен камтамасыз етуге арналган тущылау к,ондыргы.пары онд^рюке ецпзтген.

ABSTARCT OF THESIS prepared by Berik Kartanbaevich Sayahov Subject:

TECHNOLOGICAL PRINCIPLES OF ANTICORROSION TREATMENT OF PIPELINES IN AGRICULTURAL WATER SUPPLY AND WATER TREATMENT AFTER TRANSPORTATION

The thesis comprises 125 pages of a typewritten text illustrated with 29 drawings and 20 tables and includes introduction, five chapters, conclusion and a list of 162 references cited as well as supplement. This work is aimed at improvement and fmalization of the technology of corrosion inhibition protection of inside surfaces of pipelines and electrodialysis method of desalination of mineralized waters. The investigation analyzes the present state of agricultural water supply in Kazakhstan and existing methods of corrosion protection of pipelines and mineralized water desalination.

The work describes and investigates the new technology of inhibition protection of steel pipes due to chemical formation of protective films on the surface of metal.

The efficiency of the technology developed is 90 % to 96 % while commercial samples of inhibitors show 7 % to 33 %. The recommended composite for treatment comprises 70 % of complexons and 3.0 % of dispersing agents.

Water treatment plants are developed and commissioned in four populated localities ofMangystau region in Kazakhstan. A pilot electrodialyzer with improved hydrodynamics is developed, and a containerized desalination plant is implemented for quality fresh water supply to the rural population.