1. Теоретичні передумови зниження жорсткості води [ правити | правити код ]
2. Особливості кристалізації з концентрованих розчинів [ правити | правити код ]
3. Проведення експериментів і основні результати [ правити | правити код ]

Наше деловое партнерство www.banwar.org

Магнітогідродинамічна обробка (МГДО) - спосіб впливу на потік мінералізованої води, в якому під впливом магнітного поля індукується електричний струм. Електричний струм в електролітах підтримується, як відомо, переміщенням заряджених іонів і в потоці води відбувається зміна концентрації в обсязі потоку позитивних і негативних іонів. З використанням МГДО можна домогтися таких ефектів як, місцеве зниження pH води (для зниження корозійної активності потоку води), створення локального збільшення концентрації іонів різного знаку в локальному об'ємі води (для перетворення надмірного вмісту іонів солей жорсткості в тонкодисперсную кристалічну фазу і запобігання випаданню солей на поверхні трубопроводів і обладнання).

Теоретичні передумови зниження жорсткості води [ правити | правити код ]

У кожній елементарній комірці електропровідний рідини (води), при русі з лінійною швидкістю u> 0 {\ displaystyle u> 0} магнітного поля з індукцією B {\ displaystyle B} , Створюваної обертовими ІМП, індукується електричний струм.

Відомо, що при русі заряджених частинок та іонів на них буде діяти в магнітному полі сила Лоренца :

F → Λ = q ⋅ [u → × B →] {\ displaystyle {\ vec {F}} _ {\ Lambda} = q \ cdot [{\ vec {u}} \ times {\ vec {B}}] }

величина якої залежить від заряду q {\ displaystyle q} , Швидкості його руху u {\ displaystyle u} і індукції магнітного поля B {\ displaystyle B} . На позитивно і негативно заряджені частинки сила Лоренца діє в протилежних напрямках.

Якщо розглянути нескінченно малий - одиничний - обсяг рідини, то при русі рідини на що міститься в ній одиничний заряд діє сила Лоренца f = u B {\ displaystyle f = uB} , Спрямована перпендикулярно до напрямку швидкості руху технологічної рідини і до ліній індукції магнітного поля . Під дією цієї сили Лоренца відбувається поділ зарядів з різними знаками, виникає різниця електричних потенціалів між областями технологічної рідини і, отже, індукує електричний струм.

Вибираючи необхідне розташування вектора магнітної індукції щодо вектора швидкості потоку середовища, можна цілеспрямовано впливати на іони солей жорсткості і перерозподіляти їх в обсязі середовища так, як це потрібно в конкретному випадку.

При ламінарному стаціонарному перебігу електропровідний рідини з середньою швидкістю U {\ displaystyle U} в досить довгою прямокутної труби, вміщеній в однорідне поперечне магнітне поле з індукцією B 0 {\ displaystyle B_ {0}} (Рисунок 1), на заряджені частинки діє сила Лоренца, яка орієнтує заряджені частка середовища в обсязі.

Припустимо, що сторона перетину труби, перпендикулярна полю, має розмір 2 b {\ displaystyle 2b} , Багато більший розміру 2 a {\ displaystyle 2a} . Стінки труби, ідеально проводять і, крім того, мають ідеальний електричний контакт з рідиною (тобто контактний опір дорівнює нулю).

Нерелятівістская заряджених частка, влітає в однорідне магнітне поле перпендикулярно його лініях, відчуває дію сили Лоренца, спрямованої перпендикулярно вектору її швидкості, а значить і траєкторії. Чинена цією силою робота, очевидно, тотожно дорівнює нулю, що, в свою чергу, означає незмінність кінетичної енергії і, отже, модуля швидкості частинки. З останнього випливають сталість величини сили Лоренца і створюваного нею перпендикулярно спрямованого траєкторії прискорення. Таким чином, в описаній ситуації заряджених частка буде рухатися по колу, площина якої перпендикулярна лініям вектора B {\ displaystyle B} . Важливою особливістю руху нерелятівістскіх заряджених частинок в постійному магнітному полі є пропорційність радіусу кривизни траєкторії швидкості частинки, що безпосередньо випливає з ньютоновского рівняння руху.

Очевидним наслідком цієї пропорційності є незалежність періоду обертання заряджених частинок в магнітному полі від швидкості. Траєкторією в цьому випадку буде гвинтова лінія з постійним кроком і радіусом кривизни. Крок гвинтової лінії виявляється незалежним від величини поперечної полю компоненти швидкості частинки.

З огляду на те, що перетікання струму зі стінки z = + b {\ displaystyle z = + b} до стінки z = - b {\ displaystyle z = -b} поза рідини неможливо, то інтеграл струмів по перетину труби повинен бути рівний нулю, тобто

∫ - a a (E - u B 0) d y = 0 {\ displaystyle \ int \ limits _ {- a} ^ {a} (E-uB_ {0}) \, dy = 0} .

Звідси

E = 1 2 a (∫ - aaudy) B 0 = UB 0 {\ displaystyle E = {\ frac {1} {2a}} \ left (\ int \ limits _ {- a} ^ {a} u \, dy \ right) B_ {0} = UB_ {0}} .

Отже, при протіканні як електропровідний, так і неелектропроводящей рідини через магнітне поле виникає різниця потенціалів між областю з максимальним значенням індукції B = B m a x {\ displaystyle B = B_ {max}} і областю з мінімальним значенням B = B 0 {\ displaystyle B = B_ {0}} .

У нашому випадку не розглядається рух однієї частки в вакуумі. При високих концентраціях частинок зручніше перейти до результуючому напрямку руху частинок в магнітному і електричному полях - електричного струму.

При русі рідини на що містяться в ній поодинокі заряди діє сила Лоренца f = u B 0 {\ displaystyle f = uB_ {0}} (U {\ displaystyle u} - локальна швидкість течії), спрямована перпендикулярно швидкості і індукції магнітного поля. Під дією цієї сили відбувається поділ зарядів, виникає різниця електричних потенціалів між стінками z = + b {\ displaystyle z = + b} і z = - b {\ displaystyle z = -b} (Рисунок 2б) і, отже, електричне поле з напруженістю E {\ displaystyle E} , Спрямоване паралельно силі f {\ displaystyle f} , Але в протилежну сторону. Напрямок вектора индуцируемого електричного струму визначається за правилом лівої руки.

Для того щоб ініціювати кристалізацію солей жорсткості всередині обсягу перекачується далеко від стінок труб в зазорах магнітного пристрою, необхідно задати такий напрямок індукції магнітного поля, при якому в середині зазорів утворювалася б зона з нульовим значенням індукції. З цією метою ІМП в пристрої розташовуються однаковими полюсами назустріч один одному (малюнок 2). Під дією сили Лоренца в середовищі виникає протитечія аніонів і катіонів , Які зустрічаються і починають взаємодіяти саме в зоні з нульовим значенням магнітної індукції.

Відповідно до теорії активних зіткнень С. Арреніуса , Це призводить до активізації їх взаємних зіткнень. Зближення двох іонів на достатню для протікання реакції між ними відстань утруднено, так як вони повинні за рахунок дифузії пройти крізь шар розчинника. Активізуючи дифузію іонів в середовищі шляхом індукування електричних струмів в магнітному полі, можна підвищити концентрацію реагуючих між собою іонів і збільшити число їх зіткнень в зоні з нульовим значенням магнітної індукції. Таким чином, в цій зоні відбувається примусова кристалізація солей жорсткості.

Щільність виникають струмів (A / m 2) {\ displaystyle (A / m ^ {2})} обчислюється за закону Ома :

j = σ (E - u B), (1) {\ displaystyle j = \ sigma (E-uB), \ qquad (1)}

де:

Маса речовини, (k g) {\ displaystyle \ left (kg \ right)} , Що переноситься при русі іонів з областей з B = B m a x {\ displaystyle B = B_ {max}} в області з B = 0 {\ displaystyle B = 0} , Розраховується за закону Фарадея :

m = k q {\ displaystyle m = kq} ,

де:

Швидкість реакції (m o l / s) {\ displaystyle (mol / s)} визначається за формулою:

w = π R ⋅ D N A ⋅ c 1 ⋅ c 2 {\ displaystyle w = \ pi R \ cdot DN_ {A} \ cdot c_ {1} \ cdot c_ {2}} ,

де:

Отже, активізуючи дифузію іонів в розчині шляхом індукування електричних струмів в магнітному полі, можна підвищити концентрацію реагуючих між собою іонів і збільшити число їх зіткнень в зоні з нульовою магнітною індукцією.

Особливості кристалізації з концентрованих розчинів [ правити | правити код ]

Кристалізація з концентрованих розчинів широко поширена в лабораторної та промислової практиці. До концентрованих розчинів вдаються щоразу, коли потрібно провести кристалізацію досить швидко. У концентрованих середовищах все елементарні процеси, які супроводжують кристалізацію, протікають з такою високою швидкістю, що можна говорити про феномен концентраційного впливу середовища на кристалізацію.

Феномен концентраційного впливу середовища - яскравий прояв кооперативного взаємодії молекул речовини, що кристалізується (крісталлізанта) в розчині. При цьому кооперативность взаємодії виявляється суттєвою на всіх стадіях кристалізації, а саме, при зародженні і зростанні кристалів, при агломерації і дозріванні кристалізується фази.

Кооперативность взаємодії проявляється, зокрема, в тому, як змінюється маса M {\ displaystyle M} викристалізувався речовини з часом t {\ displaystyle t} в закритій системі за відсутності затравки. В даний час немає досвідчених даних, які суперечили б уявленню про те, що в закритій системі маса M {\ displaystyle M} змінюється з часом по S-подібної кривої аналогічно ланцюговим процесам. Перейшли з розчину в кристали молекули крісталлізанта, збільшуючи площу поверхні кристалів, сприяють переходу наступних молекул; і так до тих пір, поки в розчині не вичерпані речовину, здатну перейти в кристали. Зростання площі поверхні домінує на першому, а вичерпання речовини - на другому етапі кристалізації. Це відображає співвідношення:

M = M 1 (1 - e - α '((t - t 0) γ + t 0 γ)), (2) {\ displaystyle M = M _ {\ mathcal {1}} \ left (1-e- { \ acute {\ alpha}} \ left (\ left (t-t_ {0} \ right) ^ {\ gamma} + t_ {0} ^ {\ gamma} \ right) \ right), \ qquad (2)}

де:

Співвідношення (2) описує більшість досвідчених даних про кристалізації речовин різної природи при значеннях α ', t 0 {\ displaystyle {\ acute {\ alpha}}, t_ {0}} і γ {\ displaystyle \ gamma} залежать від C 0 {\ displaystyle C_ {0}} і температури розчину T {\ displaystyle T} , Але залишаються постійними в процесі кристалізації. Однак деякі дані вдається описати тільки в припущенні, що ці параметри залежать від часу. Відповідно до формули, кристалізація в закритій системі проходить через періоди зростання і падіння швидкості процесу:

W = V 0 - 1 d M d t {\ displaystyle W = V_ {0} ^ {- 1} {\ frac {dM} {dt}}} ,

причому характеристичною величиною є максимальне значення швидкості W {\ displaystyle W} . Зв'язок швидкості процесу з концентрацією розчину можна характеризувати параметром, який відображає перебіг всіх елементарних процесів

KW = C 0 WM ⋅ d WM d C 0 {\ displaystyle K_ {W} = {\ frac {C_ {0}} {W_ {M}}} \ cdot {\ frac {dW_ {M}} {dC_ {0 }}}} ,

де W M {\ displaystyle W_ {M}} - максимальне значення швидкості W {\ displaystyle W} .

Проведення експериментів і основні результати [ правити | правити код ]

З метою практичного підтвердження можливості при МГДО примусового освіти кластерів солей жорсткості проведені дослідження, першим етапом яких була підготовка модельної середовища, що імітує реальні промислові середовища.

Для цього використовували метод отримання малорозчинних солей жорсткості шляхом змішування двох або більше розчинних солей по реакціях

C u SO 4 + C a C l 2 → C a SO 4 + C u C l 2 {\ displaystyle {Cu} SO_ {4} + {Ca} {Cl} _ {2} \ rightarrow {Ca} SO_ {4 } + {Cu} {Cl} _ {2}} ; N a 2 CO 3 + C a C l 2 → C a CO 3 + 2 N a C l {\ displaystyle {Na} _ {2} CO_ {3} + {Ca} {Cl} _ {2} \ rightarrow { Ca} CO_ {3} +2 {Na} {Cl}} .

В результаті реакцій солі кальцію випадали в осад. Щоб побічно визначити величину ЕРС і силу струму в розчині, викликаного впорядкованим рухом іонів вимірювали зміна електроопору середовища в потоці рідини.

На малюнку 3 показано зміну опору в площині перпендикулярній руху потоку на різній відстані від рухомих магнітів в залежності від тривалості впливу поля. Початкове опір розчину становило 40 Ом. Видно, що з початком дії поля опір середовища, що знаходиться в безпосередній близькості від магніту, різко падає. У центральній частині потоку, навпаки, різко зростає, а найвіддаленішої точки - спочатку падає, потім зростає. Падіння напруги в розчині, виміряний між першою і другою точками вимірювань склало 59,6 мВ, між першою і третьою 6,5 мВ. Отже, відбувається активне перенесення зарядів в ту частину обсягу, яка контактує з магнітами, і де індукція магнітного поля максимальна. У цій частині обсягу локальна концентрації іонів і заряджених частинок значно збільшується, що веде до зниження електроопору. З центру потоку (точка 2) йде інтенсивний перенесення іонів в області точок 1 і 3, концентрація їх зменшується, а електроопір зростає.

Уздовж потоку опір середовища внести такі зміни: перед входом в поле воно зростає до 138,5 Ом, потім падає до значень зазначених на малюнку 3. Після виходу з поля опір поступово збільшується до 40 Ом. Даний ефект має місце тільки в разі руху постійних магнітів щодо електроліту, в іншому випадку перенесення іонів не виникає.

Таким чином, МГДО розчинів призводить до збільшення локальної концентрації іонів, що, в свою чергу викликає утворення кластерів молекул розчиненої речовини, і закінчується утворенням мікрокристалів.

При мінімально можливою в проведеному експерименті тривалості МГДО (0,5 с) в зоні з нульовими значеннями магнітної індукції через 2 хвилини починали утворюватися дрібні кристали даних солей жорсткості. При зростанні тривалості обробки латентна фаза кристалізації по величині не змінювалася. Отже, МГДО розчину солей має високу ефективність за часом, і під її впливом умови (утворення кластерів), необхідні для початку процесу кристалізації, створюються дуже швидко.

Кристали солей жорсткості випадали (рисунок 4) в центральній частині корпусу 1 в зоні з B = 0 {\ displaystyle B = 0} .

Таким чином, експериментально показано, що МГДО розчинів солей викликає переміщення їх катіонів та аніонів з областей з B m a x {\ displaystyle B_ {m} ax} в області з B = 0 {\ displaystyle B = 0} (Рисунок 1), в результаті чого в останніх починається процес кристалізації.

Оцінку ефективності МГДО проводили також, визначаючи жорсткість пластової води з високим вмістом іонів C O 3 2 - {\ displaystyle CO_ {3} ^ {2}} . Порівнювали концентрацію іонів C O 3 2 - {\ displaystyle CO_ {3} ^ {2}} до і після МГДО, а також після кип'ятіння пластової води. При кип'ятінні розчинність карбонатів значно знижується, і відкладення солей відбувається більш інтенсивно.

Після МГДО і кип'ятіння пластову воду ретельно фільтрували від осаду. Залишковий вміст іонів C O 3 2 - {\ displaystyle CO_ {3} ^ {2}} визначали комплексометріческого методом при 20 ∘ C {\ displaystyle 20 ^ {\ circ} C} (Таблиця).

Видно, що при швидкості потоку 2 м / с ефективність МГДО практично не поступається ефективності кип'ятіння пластової води. При швидкості 1 м / с, яка відповідає швидкості потоку, що спостерігається на багатьох нафтових родовищах, ефективність МГДО менш ніж в два рази нижче, ніж ефективність кип'ятіння. Отже, МГДО розчинів солей є продуктивним методом активізації кластерообразованія, який можна порівняти з кип'ятінням. Необхідно враховувати, що кристали солей, які утворюються в зазорі агрегату для проведення МГДО, мають малі розміри (до 4 мкм) (рисунок 32) і високу кінетичну енергію, в зв'язку, з чим вони не здатні до відкладення на поверхні металу труб, а переміщаються в обсязі транспортується середовища у вигляді дрібнодисперсного суспензії. Відомо, зокрема, що кристали солей розміром менше 20 мкм не осідають на стінці трубопроводів при швидкості потоку більше 0,4 м / с.

1. Савельєв І.В. Курс загальної фізики том 2. Електрика і магнетизм. Хвилі. Оптика. М., Наука., 1978, 480 с.
2. Брановер Г. Г. , Цинобер А. Б. Магнітна гідродинаміка нестискуваних середовищ. Головна редакція фізико-математичної літератури видавництва «Наука», М., 1970, 380 с.
3. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Фізична хімія. Учеб. для хім. спец. вузів. За редакцією А.Г. Стромберга. - 4-е изд. Испр. - М .: Вища. шк., 2001. - 527 с.