Средство для химической очистки металлических поверхностей
MEANS FOR CHEMICAL CLEANING METAL SURFACES

Изобретение относится к химическим средствам и может быть использовано для обработки воды оборотных систем охлаждения технологического, теплоэнергетического и теплообменного оборудования. Конкретно, для эксплуатационной очистки и защиты от накипно-коррозионных отложений (НКО) различных металлических теплопередающих поверхностей из черных и цветных металлов, используемого в металлургической промышленности технологического, теплоэнергетического и теплообменного оборудования.
Выпадение карбонатных отложений приводит к значительному ухудшению теплопередающих способностей теплообменного оборудования. Для обеспечения чистоты поверхности теплообменного оборудования выполняются планово-производственные работы, включающие механические и химические очистки, что приводит к дополнительным материальным затратам, износу и повреждению внутренних поверхностей теплообменного оборудования. Для производства теплообменного оборудования, используемого в металлургической промышленности, используются сплавы черных и цветных металлов, которые подвержены коррозии. В результате коррозии данные материалы со временем разрушаются и, таким образом, наносят огромный экономический и технологический ущерб. Следовательно, необходимы комплексные меры, предусматривающие очистку и защиту оборудования от накипи и различных отложений продуктов коррозии. В настоящее время широко используется метод химической очистки (см., например, Маргулова Т.Х. Химические очистки теплоэнергетического оборудования, Энергия, 1969 г.). Химический способ заключается в обработке отложений специальными моющими растворами. Однако подавляющее большинство реагентов, применяемых для химической очистки, характеризуется значительной агрессивностью по отношению к металлу очищаемого оборудования. Для уменьшения коррозионного воздействия на металл при проведении химических очисток в моющие растворы добавляют ингибиторы коррозии. Ингибиторы коррозии - это вещества, которые, находясь в коррозионной среде в достаточной концентрации, сильно замедляют, либо вообще прекращают коррозионное разрушение металла. Ингибитором коррозии может быть как одно соединение, так и смесь нескольких. Подбор ингибиторов и их смесей осуществляют экспериментально, применительно к конкретным условиям химической очистки. В разработках последних лет особое внимание уделяется составам многофункционального назначения, которые ингибируют и коррозию, и отложение различных солей (карбонатных, сульфатных, железоокисных). Важнейшим фактором, определяющим выбор реагентов для проведения химических очисток, является их доступность, относительно низкая стоимость, эффективность их использования и экологическая безопасность.
Известны различные средства для химической очистки. Например, кислотный очиститель ЖЕЛЬ (http://jelms.ru/), в состав которого входят композиция поверхностно-активных веществ (ПАВ), н-ПАВ, ортофосфорная кислота, соляная кислота, сульфаминовая кислота, ингибитор, уротропин, консервант, отдушка, вода. Он предназначен для использования, преимущественно в быту, а также в медицинских детских учреждениях, на предприятиях пищевой промышленности, общественного питания.
3
4
2
Известен также концентрат ТАЛЕНА (http://talena.su/), который предназначен для котлов, теплообменников, труб, емкостей со значительным известковым загрязнениями, толстым ржавым и накипным загрязнением и содержит комплекс ПАВ, ортофосфорную кислоту, ингибированную соляную кислоту, щавелевую кислоту, комплексообразователь, ингибитор коррозии, отдушку и воду. Однако данный состав не применим для очистки теплообменных поверхностей из нержавеющей стали, так как соляная кислота обладает высокой коррозионной активностью по отношению к нержавеющим сталям. Причем применение неорганической фосфорной кислоты (ортофосфорной кислоты) при высоких ее концентрациях, высоких температурах и высокой минерализации воды приводит к образованию трудноудаляемых накипных отложений фосфата кальция Са(РO).
2
Известен «Ингибитор коррозии и отложений черных металлов в нейтральных и водных средах» (см. а.с. СССР 1813797, опубл. 07.05.1993 г.), содержащий оксиэтилидендифосфоновую кислоту (ОЭДФК), ZnCl и бис(Арилсульфонат) аммония. Предлагаемый состав позволяет снизить скорость коррозионных разрушений углеродистой стали и повысить степень защиты от карбонатных отложений. Однако не позволяет удалять НКО с теплопередающих поверхностей из цветных металлов.
4
3
4
2
Известна композиция ингибиторов (см. патент RU, №2128628, опубл. 10.04.1999 г.). «Способ ингибирования коррозии и отложений в водооборотных системах». Известная композиция ингибиторов, в состав которой входят триполифосфат натрия (ТПФ), оксиэтилидендифосфоновая кислота (ОЭДФК), сульфат цинка (ZnSO) и полиэтиленгликоль марки ПЭГ-300, предназначена для ингибирования коррозии и отложений в водооборотных системах. Известная композиция ингибиторов достаточно надежно защищает углеродистую "черную" сталь от коррозии и отложений не только при 40°С, но и при 60°С. Однако наличие таких компонентов, как соль неорганической фосфорной кислоты (триполифосфат натрия), при высоких ее концентрациях, высоких температурах и высокой минерализации воды приводит к образования трудноудаляемых накипных отложений фосфата кальция Са(РO). Наличие полиэтиленгликоля приводит к увеличению токсичности раствора, что снижает безопасность его приготовления, использования и утилизации, так как полиэтиленгликоль является едким и экологически опасным веществом. Эта композиция ингибиторов выбрана в качестве ближайшего аналога.
Основная задача, решаемая изобретением, заключается в следующем. Необходимо разработать такой состав для удаления НКО, который позволял бы удалять НКО с поверхности изделий из черных и цветных металлов без остановки оборудования, то есть в процессе его эксплуатации, путем обработки теплообменной поверхности циркулирующим водным раствором. Другой задачей является повышение эффективности очистки от НКО, что позволит увеличить срок службы оборудования и уменьшить количество аварийных остановов оборудования из-за его перегрева. Еще одной задачей является увеличение скорости удаления НКО, что позволит сократить время простоя в случае аварийного останова. Еще одна задача состоит в расширении арсенала химических средств для удаления НКО с различных поверхностей.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении качества состава за счет улучшения ее растворяющей способности и снижения скорости коррозии, что достигается использованием компонентов предлагаемого средства. А также в уменьшении количества остановов оборудования на химическую очистку, в увеличении срока службы оборудования, в уменьшении аварийных остановов оборудования в результате перегрева оборудования и пережога конструкционных материалов по причине снижения теплопередающих способностей, что положительно отразится на увеличении производительности основных агрегатов металлургического производства.
Указанный технический результат достигается тем, что средство для химической очистки металлических поверхностей, содержащее комплексон и цинковый комплекс, согласно изобретению, дополнительно содержит дисперсант, калия гидроокись, натрия гидроокись, 1,2,3-Бензотриазол и ингибитор, причем в качестве цинкового комплекса оно содержит оксид цинка, в качестве дисперсанта оно содержит сополимер акриловой кислоты /2-акриламидо-2-метил-1-пропансульфоновой кислоты, а в качестве ингибитора оно содержит ингибитор «PuroTech 43», при этом компоненты используют в следующем соотношении (мас.%):
Комплексон
2,0-10,0
Оксид цинка
0,5-1,0
Сополимер акриловой кислоты
/2-акриламидо-2-метил-
1-пропансульфоновой кислоты
3,0-10,0
Калия гидроокись
0,3-1,0
Натрия гидроокись
0,1-1,0
1,2,3-Бензотриазол
0,05-0,1
Ингибитор «PuroTech 43»
25,0-40,0
Деминерализованная вода
Остальное
Кроме того, в качестве комплексона используют ОЭДФК
Использование в качестве комплексона ОЭДФК (гидрооксиэтилендендифосфоновая кислота), для обработки воды с высокими значениями жесткости, позволяет предотвратить выпадение солей жесткости на оборудования за счет высоких комплексообразующих свойств реагента, а также начать процесс постепенной отмывки карбонатных отложений.
Оксид цинка используется для образования мономолекулярный пассивирующей пленки на поверхности оборудования систем охлаждения, препятствуя развитию общей электрохимической коррозии.
Введение сополимера акриловой кислоты /2-акриламидо-2-метил-1-пропансульфоновой кислоты, который является высокоэффективным дисперсантом, препятствует осаждению карбонатных отложений, шламу за счет кристаллической модификации отложений, препятствуя соединению кристаллов карбонатов и дальнейшему их росту.
2
Введение гидроокиси калия и натрия используются для увеличения гидратной щелочности и уровня рН реагентов, используемых в системах охлаждения с низкими значениями жесткости, щелочности, рН. Увеличение щелочности и уровня рН реагентов при добавлении данных реагентов в систему охлаждения позволяют повысить рН и щелочность воды. Увеличение гидратной щелочности и рН воды систем охлаждения при переходе от рН≥8,5 приводят к снижению концентрации углекислоты СО в воде, которая является катализатором коррозионных процессов в системах охлаждения.
Введение 1,2,3-Бензотриазола используется для ингибирования гальванической (контактной) коррозии, контролируя содержание ионов цветных металлов. Использование 1,2,3-Бензотриазола позволяет связать свободные ионы цветных металлов в системах охлаждения, не позволяя им осесть на местах с низким электрохимическим потенциалом (сплавы черных металлов).
В результате проведенных экспериментов было определено, что наилучшее качество очистки от НКО было достигнуто при использовании в заявляемом средстве в качестве ингибитора именно ингибитора «PuroTech 43». Известный ингибитор «PuroTech 43» представляет из себя смесь фосфатов, фосфонатов, дисперсантов. Использование ингибитора «PuroTech 43» оказалось еще и более экономически оправданным, чем использование других известных ингибиторов.
Деминерализованная вода используется как эффективный растворитель с минимальным содержанием солей, свободных ионов и примесей, которые влияют на качественные характеристики раствора и на выработку активных действующих веществ.
В процессе получения заявленного средства химические вещества, входящие в его состав, разлагаются или вступают друг с другом в реакцию, обеспечивая получение средства для химической очистки металлических поверхностей, позволяющего решить поставленные задачи. Этот результат достигается в результате синергического эффекта, при котором действие одного компонента усиливается в присутствии другого. Именно, за счет синергетического влияния совокупности используемых компонентов средства для химической очистки металлических поверхностей компонентов, при их заявленном количественном соотношении, поставленные задачи были решены, и достигнут указанный технический результат. Что и было подтверждено экспериментально. При этом существенное влияние на эффективность предлагаемого средства для химической очистки металлических поверхностей оказывает количественное соотношение всех, входящих в него компонентов, которое подбиралось экспериментально. Оптимальные параметры подбирались в каждом конкретном случае в зависимости от количества и состава отложений, типа и технологических характеристик очищаемого оборудования. Как показали эксперименты, завышение либо занижение содержания каждого из компонентов отрицательно сказывалось на эффективности заявляемого средства. Отличительной особенностью заявляемого средства является строгое регламентирование количественного и качественного состава содержащихся в нем компонентов.
3
Технология приготовления заявляемого средства является экологически чистой и может быть реализована на стандартном оборудовании, используемом в промышленных условиях для производства технических моющих средств. Изготавливается заявляемое средство из расчетного количества ОЭДФК, оксида цинка, сополимера акриловой кислоты /2-акриламидо-2-метил-1-пропансульфоновой кислоты, калия гидроокиси, натрия гидроокиси, 1,2,3-Бензотриазола и ингибитора «PuroTech 43». Исходные компоненты взвешивают на весах. В эмалированный реактор вместимостью 50 л, снабженный рубашкой для охлаждения и мешалкой, засыпают ОЭДФК и заливают часть рассчитанного количества деминерализованной воды, с одновременным нагревом и поддержанием температуры раствора до 80-90°С. Затем, при работающей мешалке, последовательно добавляют оксид цинка, сополимер акриловой кислоты /2-акриламидо-2-метил-1-пропансульфоновой кислоты, калия гидроокись, натрия гидроокись и 1,2,3-Бензотриазол. Далее, в полученный раствор, при работающей мешалке, заливают ингибитор «PuroTech 43», затем добавляют деминерализованную воду до рассчитанного количества. Перемешивание производят до полного растворения и достижения плотности раствора 1,15-1,30 г/см.
Очистка поверхности очищаемого теплообменного оборудования осуществляется путем добавления полученного раствора в воду оборотной системы охлаждения в концентрации раствора 10 мг/л объема системы.
Сущность заявляемого изобретения поясняется примером приготовления заявленного средства для химической очистки металлических поверхностей.
ПРИМЕР. Для осуществления заявленного технического решения был проведен ряд опытов. Взвешивали: ОЭДФК (по ТУ 2439-363-05763441-2002), оксид цинка (по ГОСТ 10262-73), сополимер акриловой кислоты /2-акриламидо-2-метил-1-пропансульфоновой кислоты (по CAS №40623-75-4 это сополимер акриловой кислоты и 2-Акриламидо-2-Метилпропан сульфоновой кислоты (АА/АМПС)), калия гидроокись (ГОСТ 9285-78), натрия гидроокись (ГОСТ 2263-79), 1,2,3-Бензотриазол (ТУ 6-09-1291-87), ингибитор «PuroTech 43».
общ
общ
Приготавливали заявляемое средство для химической очистки металлических поверхностей, как описано выше, но в лабораторных условиях (в таблице 1 представлены конкретные примеры, иллюстрирующие изобретение). Химическую очистку теплообменных аппаратов проводили на циркуляционной установке. В циркуляционной установке с термостатом и установленными образцами из углеродистой стали, нержавеющей стали и латуни с накипными отложениями известного веса моделировали водооборотный контур с постоянным вращением воды с Ж до 10,0 мг-экв/л, Щ до 6,0 мг-экв/л, рН 7,5-8,5 и температурой до 90°С добавляли полученный раствор с концентрацией 10 мг/л объема контура. Циркуляция промывочного раствора происходила до полного растворения и удаления НКО с поверхности трубного пространства.
Контроль растворения отложений проводили по убыли веса взятого образца (гравиметрическим методом) и по аналитическому контролю состава промывочного раствора (см. таблицы 2, 2.1).
-
+2
Аналитический контроль проводили путем оценки термостабильности воды. Критерием термостабильности воды являются изменения качества воды по коэффициентам концентрирования отдельных ионов (Cl и Са). Во время опыта осуществляли химический контроль по хлоридам и кальциевой жесткости воды. Транспорт кальция определяли, как процентное изменение отношения содержания ионов кальция к хлоридам до и после обработки. Транспорт кальция был более 100%, что свидетельствует о предотвращении образования новых отложений солей жесткости.
Для оценки эффективности защиты от коррозии использовались чистые образцы из углеродистой стали, нержавеющей стали, латуни известного веса, помещенные в моделируемом циркуляционном контуре с добавлением раствора.
Контроль скорости коррозии проводили по убыли веса взятого образца гравиметрическим методом (см. таблица 3). Скорость коррозии рассчитывалась по следующей формуле (ГОСТ 9.905-85 «ЕСЗКС. Метод коррозионных испытаний. Общие требования»):
2
, г/(м⋅ч)
2
где К - весовой показатель скорости образования отложений г/(м⋅ч),
m1 - вес образца после извлечения из потока и просушки (г),
m2 - вес образца до помещения в поток (г),
2
S - общая площадь поверхности испытуемого образца (м),
τ - время экспозиции (ч).
, мм/год
2
где К - весовой показатель скорости коррозии г/(м⋅ч),
d - плотность образца.
Согласно ПТЭ водных хозяйств предприятий черной металлургии (п. 5.4.6) вода не должна вызывать точечной, язвенной, а также равномерной коррозии металла более чем 0,1 мм/год. Результаты скорости коррозии оказались ниже нормативных значений. Минимизированы процессы коррозии.
Изобретение позволяет эффективно удалять НКО любой плотности с минимальным коррозионным воздействием на очищаемый металл. Использование заявляемого средства не требует использования промывных (очищающих) растворов. Заявляемое средство для химической очистки металлических поверхностей значительно упрощает процесс очистки и повышает эксплуатационные удобства. Что и было определено экспериментально.
Важнейшим фактором, определяющим выбор дополнительных компонентов, была их доступность, относительно низкая стоимость, эффективность их использования и экологическая безопасность. Доступность и дешевизна используемых в заявляемом средстве для химической очистки металлических поверхностей дополнительных компонентов позволили снизить дозировку ингибитора «PuroTech 43», что привело к снижению себестоимости окончательного продукта.
Кроме расширения арсенала химических средств для удаления НКО с различных поверхностей, заявляемое средство, по мнению заявителя, именно сейчас будет пользоваться отличным спросом, поскольку позволит уменьшить количество остановов оборудования на химическую очистку, соответственно, увеличить срок службы оборудования, а также уменьшить аварийные остановы оборудования в результате перегрева оборудования и пережога конструкционных материалов по причине снижения теплопередающих способностей. А это положительно отразилось на увеличении производительности основных агрегатов металлургического производства. Заявляемое средство позволяет удовлетворить давно существующую потребность в средстве такого назначения.