МГДО


МГДО

Магнитогидродинамическая обработка (МГДО) – способ воздействия на поток минерализованной воды, в котором под воздействием магнитного поля индуцируется электрический ток. Электрический ток в электролитах поддерживается, как известно, перемещением заряжённых ионов и в потоке воды происходит изменение концентрации в объеме потока положительных и отрицательных ионов. С использованием МГДО можно добиться таких эффектов как, местное снижение pH воды (для снижения коррозионной активности потока воды), создания локального увеличения концентрации ионов разного знака в локальном объеме воды (для преобразования избыточного содержания ионов солей жёсткости в тонкодисперсную кристаллическую фазу и предотвращения выпадения солей на поверхности трубопроводов и оборудования).

Содержание

Теоретические предпосылки снижения жёсткости воды

В каждой элементарной ячейке электропроводящей жидкости (воды), при движении с линейной скоростью u > 0 магнитного поля с индукцией B, создаваемой вращающимися ИМП, индуцируется электрический ток.

Известно, что при движении заряжённых частиц и ионов на них будет действовать в магнитном поле сила Лоренца:

 ~\vec{F}_\Lambda = q \cdot [\vec{u} \times \vec{B}]

величина которой зависит от заряда q, скорости его движения u и индукции магнитного поля B. На положительно и отрицательно заряжённые частицы сила Лоренца действует в противоположных направлениях.

Если рассмотреть бесконечно малый – единичный - объем жидкости, то при движении жидкости на содержащийся в ней единичный заряд действует сила Лоренца f = uB, направленная перпендикулярно к направлению скорости движения технологической жидкости и к линиям индукции магнитного поля. Под действием этой силы Лоренца происходит разделение зарядов с разными знаками, возникает разность электрических потенциалов между областями технологической жидкости и, следовательно, индуцируется электрический ток.

Выбирая необходимое расположение вектора магнитной индукции относительно вектора скорости потока среды, можно целенаправленно воздействовать на ионы солей жёсткости и перераспределять их в объеме среды так, как это требуется в конкретном случае.

Рисунок 1 – Схема магнитогидродинамической ячейки. σ - электропроводность стенок ячейки

При ламинарном стационарном течении электропроводящей жидкости со средней скоростью U в достаточно длинной прямоугольной трубе, помещённой в однородное поперечное магнитное поле с индукцией B0 (рисунок 1), на заряжённые частицы действует сила Лоренца, ориентирующая заряжённые частица среды в объеме.

Допустим, что сторона сечения трубы, перпендикулярная полю, имеет размер 2b, много больший размера 2a. Стенки трубы, идеально проводящие и, кроме того, имеют идеальный электрический контакт с жидкостью (то есть контактное сопротивление равно нулю).

Нерелятивистская заряжённая частица, влетающая в однородное магнитное поле перпендикулярно его линиям, испытывает действие силы Лоренца, направленной перпендикулярно вектору её скорости, а значит и траектории. Совершаемая этой силой работа, очевидно, тождественно равна нулю, что, в свою очередь, означает неизменность кинетической энергии и, следовательно, модуля скорости частицы. Из последнего вытекают постоянство величины силы Лоренца и создаваемого ею перпендикулярно направленного траектории ускорения. Таким образом, в описанной ситуации заряжённая частица будет двигаться по окружности, плоскость которой перпендикулярна линиям вектора B. Важной особенностью движения нерелятивистских заряжённых частиц в постоянном магнитном поле является пропорциональность радиуса кривизны траектории скорости частицы, что непосредственно следует из ньютоновского уравнения движения.

Очевидным следствием этой пропорциональности является независимость периода вращения заряжённых частиц в магнитном поле от скорости. Траекторией в этом случае будет винтовая линия с постоянным шагом и радиусом кривизны. Шаг винтовой линии оказывается независящим от величины поперечной полю компоненты скорости частицы.

Ввиду того, что перетекание тока со стенки z = + b к стенке z = − b вне жидкости невозможно, то интеграл токов по сечению трубы должен быть равен нулю, то есть

 ~\int\limits_{-a}^{a} (E-uB_0)\, dy = 0.

Отсюда

 ~E = \frac{1}{2a}\left(\int\limits_{-a}^{a} u\, dy\right)B_0 = UB_0.

Следовательно, при протекании как электропроводящей, так и неэлектропроводящей жидкости через магнитное поле возникает разность потенциалов между областью с максимальным значением индукции B = Bmax и областью с минимальным значением B = B0.

В нашем случае не рассматривается движение одной частицы в вакууме. При высоких концентрациях частиц удобнее перейти к результирующему направлению движения частиц в магнитном и электрическом полях – электрическому току.

При движении жидкости на содержащиеся в ней единичные заряды действует сила Лоренца f = uB0 (u – локальная скорость течения), направленная перпендикулярно скорости и индукции магнитного поля. Под действием этой силы происходит разделение зарядов, возникает разность электрических потенциалов между стенками z = + b и z = − b (рисунок 2б) и, следовательно, электрическое поле с напряженностью E, направленное параллельно силе f, но в противоположную сторону. Направление вектора индуцируемого электрического тока определяется по правилу левой руки.

Рисунок 2 – Схема расположения ИМП, линий индукции, векторов силы Лоренца и ионов в устройстве МГДО. 1 – анионы, 2 – направление индуцированных токов, 3 – зоны с нулевым значением индукции, 4 – катионы

Для того чтобы инициировать кристаллизацию солей жёсткости внутри объема перекачиваемой среды вдали от стенок труб в зазорах магнитного устройства, необходимо задать такое направление индукции магнитного поля, при котором в середине зазоров образовывалась бы зона с нулевым значением индукции. С этой целью ИМП в устройстве располагаются одинаковыми полюсами навстречу друг другу (рисунок 2). Под действием силы Лоренца в среде возникает противоток анионов и катионов, которые встречаются и начинают взаимодействовать именно в зоне с нулевым значением магнитной индукции.

Согласно теории активных столкновений С. Аррениуса, это приводит к активизации их взаимных соударений. Сближение двух ионов на достаточное для протекания реакции между ними расстояние затруднено, так как они должны за счёт диффузии пройти сквозь слой растворителя. Активизируя диффузию ионов в среде путём индуцирования электрических токов в магнитном поле, можно повысить концентрацию реагирующих между собой ионов и увеличить число их столкновений в зоне с нулевым значением магнитной индукции. Таким образом, в этой зоне происходит принудительная кристаллизация солей жёсткости.

Плотность возникающих токов (A / m2) вычисляется по закону Ома:

 ~j = \sigma (E - uB), \qquad (1)

где:

  • σ - электропроводность жидкости, Ом − 1;
  • E – напряженность электрического поля, (A / m);
  • u – скорость жидкости, (m / s).

Масса вещества , \left( kg \right), переносимого при движении ионов из областей с B = Bmax в области с B = 0, рассчитывается по закону Фарадея:

 ~m = kq,

где:

  • k – электрохимический эквивалент вещества, (kg / As);
  • q – количество электричества, прошедшее через электролит, Кл.

Скорость реакции (mol / s) определяется по формуле:

 ~w = \pi R \cdot DN_A \cdot c_1 \cdot c_2,

где:

  • R – расстояние между ионами при образовании пары столкновения, \left( m \right);
  • D – коэффициент диффузии ионов, (m2 / s);
  • NAчисло Авогадро;
  • c1 и c2 – концентрации ионов, (mol / m3).

Следовательно, активизируя диффузию ионов в растворе путем индуцирования электрических токов в магнитном поле, можно повысить концентрацию реагирующих между собой ионов и увеличить число их столкновений в зоне с нулевой магнитной индукцией.

Особенности кристаллизации из концентрированных растворов

Кристаллизация из концентрированных растворов широко распространена в лабораторной и промышленной практике. К концентрированным растворам прибегают всякий раз, когда нужно провести кристаллизацию достаточно быстро. В концентрированных средах все элементарные процессы, сопровождающие кристаллизацию, протекают с такой высокой скоростью, что можно говорить о феномене концентрационного влияния среды на кристаллизацию.

Феномен концентрационного влияния среды – яркое проявление кооперативного взаимодействия молекул кристаллизующегося вещества (кристаллизанта) в растворе. При этом кооперативность взаимодействия оказывается существенной на всех стадиях кристаллизации, а именно, при зарождении и росте кристаллов, при агломерации и созревании кристаллизующейся фазы.

Кооперативность взаимодействия проявляется, в частности, в том, как изменяется масса M выкристаллизовавшегося вещества со временем t в закрытой системе в отсутствие затравки. В настоящее время нет опытных данных, которые противоречили бы представлению о том, что в закрытой системе масса M изменяется со временем по S-образной кривой аналогично цепным процессам. Перешедшие из раствора в кристаллы молекулы кристаллизанта, увеличивая площадь поверхности кристаллов, способствуют переходу последующих молекул; и так до тех пор, пока в растворе не исчерпается вещество, способное перейти в кристаллы. Возрастание площади поверхности доминирует на первом, а исчерпание вещества – на втором этапе кристаллизации. Это отражает соотношение:

~M = M_\mathcal{1} \left( 1 - e -  \acute{\alpha} \left( \left( t - t_0 \right)^\gamma + t_0^\gamma \right) \right), \qquad (2)

где:

  • M_\mathcal{1} = \left( C_0 - C_\mathcal{1} \right) V_0 – масса вещества, способного перейти в кристаллы при исходной концентрации кристаллизанта в растворе C0 и обьеме системы V0,
  • C_\mathcal{1} – растворимость кристаллизанта,
  • \acute{\alpha}, t_0, \gamma – параметры кристаллизации.

Соотношение (2) описывает большинство опытных данных о кристаллизации веществ разной природы при значениях \acute{\alpha}, t_0 и ~\gamma зависящих от C0 и температуры раствора T, но остающихся постоянными в процессе кристаллизации. Однако некоторые данные удаётся описать только в предположении, что эти параметры зависят от времени. Согласно формуле, кристаллизация в закрытой системе проходит через периоды возрастания и падения скорости процесса:

~ W = V_0^{-1} \frac{dM}{dt},

причем характеристической величиной является максимальное значение скорости W. Связь скорости процесса с концентрацией раствора можно характеризовать параметром, который отражает течение всех элементарных процессов

~ K_W = \frac{C_0}{W_M} \cdot \frac{dW_M}{dC_0},

где WM – максимальное значение скорости W.

Проведение экспериментов и основные результаты

С целью практического подтверждения возможности при МГДО принудительного образования кластеров солей жёсткости проведены исследования, первым этапом которых была подготовка модельной среды, имитирующей реальные промысловые среды.

Для этого использовали метод получения малорастворимых солей жесткости путем смешивания двух или более растворимых солей по реакциям

~ {Cu}SO_4 + {Ca}{Cl}_2 \rightarrow {Ca}SO_4 + {Cu}{Cl}_2;
~ {Na}_2CO_3 + {Ca}{Cl}_2 \rightarrow {Ca}CO_3 + 2{Na}{Cl}.

В результате реакций соли кальция выпадали в осадок. Чтобы косвенно определить величину ЭДС и силу тока в растворе, вызванного упорядоченным движением ионов измеряли изменение электросопротивления среды в потоке жидкости.

Рисунок 3 - Изменение сопротивления в зависимости от времени воздействия поля

На рисунке 3 показано изменение сопротивления в плоскости перпендикулярной движению потока на различном расстоянии от движущихся магнитов в зависимости от продолжительности воздействия поля. Исходное сопротивление раствора составляло 40 Ом. Видно, что с началом воздействия поля сопротивление среды, находящейся в непосредственной близости от магнита, резко падает. В центральной части потока, наоборот, резко возрастает, а наиболее отдаленной точке – сначала падает, затем возрастает. Падение напряжения в растворе, измеренное между первой и второй точками измерений составило 59,6 мВ, между первой и третьей 6,5 мВ. Следовательно, происходит активный перенос зарядов в ту часть объема, которая контактирует с магнитами, и где индукция магнитного поля максимальна. В этой части объёма локальная концентрации ионов и заряжённых частиц значительно увеличивается, что ведет к снижению электросопротивления. Из центра потока (точка 2) идет интенсивный перенос ионов в области точек 1 и 3, концентрация их уменьшается, а электросопротивление возрастает.

Вдоль потока сопротивление среды изменяется следующим образом: перед входом в поле оно возрастает до 138,5 Ом, затем падает до значений указанных на рисунке 3. После выхода из поля сопротивление постепенно увеличивается до 40 Ом. Данный эффект имеет место только в случае движения постоянных магнитов относительно электролита, в противном случае переноса ионов не возникает.

Таким образом, МГДО растворов приводит к увеличению локальной концентрации ионов, что, в свою очередь вызывает образование кластеров молекул растворенного вещества, и заканчивается образованием микрокристаллов.

При минимально возможной в проведенном эксперименте продолжительности МГДО (0,5 с) в зоне с нулевыми значениями магнитной индукции через 2 минуты начинали образовываться мелкие кристаллы данных солей жёсткости. При росте продолжительности обработки латентная фаза кристаллизации по величине не изменялась. Следовательно, МГДО раствора солей имеет высокую эффективность по времени, и под ее воздействием условия (образование кластеров), необходимые для начала процесса кристаллизации, создаются очень быстро.

Рисунок 4 - Выпавшие из электролита кристаллы солей жёсткости (х10)

Кристаллы солей жёсткости выпадали (рисунок 4) в центральной части корпуса 1 в зоне с B = 0.

Таким образом, экспериментально показано, что МГДО растворов солей вызывает перемещение их катионов и анионов из областей с Bmax в области с B = 0 (рисунок 1), в результате чего в последних начинается процесс кристаллизации.

Оценку эффективности МГДО проводили также, определяя жёсткость пластовой воды с высоким содержанием ионов CO_3^{2-}. Сравнивали концентрацию ионов CO_3^{2-} до и после МГДО, а также после кипячения пластовой воды. При кипячении растворимость карбонатов значительно снижается, и отложение солей происходит более интенсивно.

После МГДО и кипячения пластовую воду тщательно отфильтровывали от осадка. Остаточное содержание ионов CO_3^{2-} определяли комплексометрическим методом при 20^\circ C (таблица).

Влияние МГДО на жёсткость пластовой воды
Вид обработки и скорость потока Концентрация CO_3^{2-}, мг-экв/л Снижение концентрации CO_3^{2-}, \%
Без обработки 444 ~ -
МГДО, 0,5 м/c 422 5
МГДО, 1 м/c 409 8
МГДО, 2 м/c 382 14
Кипячение 377 15

Видно, что при скорости потока 2 м/с эффективность МГДО практически не уступает эффективности кипячения пластовой воды. При скорости 1 м/с, которая соответствует скорости потока, наблюдаемой на многих нефтяных месторождениях, эффективность МГДО менее чем в два раза ниже, чем эффективность кипячения. Следовательно, МГДО растворов солей является продуктивным методом активизации кластерообразования, который сравним с кипячением. Необходимо учитывать, что кристаллы солей, которые образуются в зазоре агрегата для проведения МГДО, имеют малые размеры (до 4 мкм) (рисунок 32) и высокую кинетическую энергию, в связи, с чем они не способны к отложению на поверхности металла труб, а перемещаются в объеме транспортируемой среды в виде мелкодисперсной взвеси. Известно, в частности, что кристаллы солей размером менее 20 мкм не осаждаются на стенке трубопроводов при скорости потока более 0,4 м/с.

Ссылки

Официальный сайт

Литература

  1. Савельев И.В. Курс общей физики том 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. М., Наука., 1978, 480 с.
  2. Брановер Г.Г., Цинобер А.Б. Магнитная гидродинамика несжимаемых сред. Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», М., 1970, 380 с.
  3. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. Учеб. для хим. спец. вузов. Под редакцией А.Г. Стромберга. – 4-е изд. Испр. – М.: Высш. шк., 2001. – 527 с.
  4. Патент 2287492, Российская Федерация, МПК C 02 F 1/48. Способ обработки потока технологической жидкости и устройство для его осуществления /Лаптев А.Б. - № 2005128408/15; заявл. 01/09/2005; опубл. 20.11.2006, Бюл. № 32.

Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "МГДО" в других словарях:

  • Магнитогидродинамическая обработка — Возможно, эта статья содержит оригинальное исследование. Добавьте ссылки на источники, в противном случае она может быть выставлена на удаление. Дополнительные сведения могут быть на странице обсуждения. М …   Википедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.