СОСТАВ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ НАКИПИ С ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
COMPOSITION FOR DESCALING HEAT-EXCHANGE SURFACES

Изобретение относится к области теплотехники и конкретно касается удаления накипи и солеотложений с поверхности теплообменной аппаратуры в замкнутых системах водяного охлаждения в химической и нефтеперерабатывающей промышленности, теплоэнергетике, двигателях внутреннего сгорания, включая двигатели тепловозов, и других областях.
Образование труднорастворимых солеотложений и накипи на поверхности теплообменной аппаратуры связано с воздействием повышенной температуры на растворенные в воде компоненты. В результате протекающих у поверхности теплообмена (в местах наиболее высокого температурного напора) физико-химических процессов растворенные компоненты образуют нерастворимые в воде соединения, которые осаждаются на поверхности, где наиболее вероятно образование центров кристаллизации. Обычными составляющими компонентами накипи являются карбонаты кальция и магния, оксид кремния, сульфат кальция, силикаты кальция и магния, фосфаты кальция, цинка и железа и др. нерастворимые соединения [1, 2]. Состав образующейся накипи не бывает однозначным и зависит от состава используемой воды, режимов работы оборудования и др. факторов. Выделение накипи резко снижает коэффициент теплопередачи и, следовательно, эффективность работы теплообменного оборудования, увеличивает гидравлическое сопротивление прохождения воды и может даже привести к полной закупорке трубопроводов. Кроме того, образование накипи провоцирует коррозионное разрушение металла под ее слоем [3].
Наиболее успешный подход в борьбе с накипью заключается в предварительной обработке используемой воды, подразумевающей полное удаление растворенных солей. Однако такая обработка является дорогой, требует значительных материальных и энергетических затрат, поэтому применяется редко. В качестве борьбы с накипью используется также метод введения в оборотную воду ингибиторов накипеобразования [1]. Однако, как правило, действие ингибиторов строго специфично по отношению к составу используемой воды, который может меняться даже от одного источника в зависимости от сезона. В качестве примера можно привести известный препарат «калгон», представляющий собой разновидность полифосфата натрия [4], который препятствует отложению только карбонатной накипи, но не ингибирует отложение фосфатных и силикатных солей, поэтому находит ограниченное применение, например, в стиральных машинах.
Наиболее рациональным и экономически целесообразным в настоящее время является периодическое удаление накипи с поверхности теплообменного оборудования, для чего используются разнообразные химические составы. Их многообразие обусловлено различным составом и кристаллической структурой образующейся накипи.
Действие составов, удаляющих накипь, основано на полном или частичном удалении осадка накипи и препятствии обратному осаждению образующихся частиц на поверхность теплообмена. Для этих целей используют, как правило, неорганические или органические кислоты и комплексообразующую или поверхностно-активную добавку, а также для предотвращения коррозии металла при воздействии кислоты - ингибитор коррозии металла.
Например, известен состав для растворения накипи, содержащий сульфаминовую кислоту (95,8 мас.%), алифатический полиэфир (0,4%) и ингибитор коррозии (3,8%)
[5]. Однако используемые сульфаминовая кислота и полиэфир являются достаточно дорогими реагентами, кроме того, при нагревании в водных растворах сульфаминовая кислота гидролизуется до сульфата аммония, который может провоцировать отложение сульфатной накипи.
Известен состав для удаления отложений и накипи с внутренних поверхностей теплообменного оборудования, содержащий (мас.%): пиросульфат или персульфат натрия, калия или аммония 0,09-10, полифенольные соединения древесины или коры хвойных деревьев 0,003-6,0, уротропин 0,01-4, неионогенное ПАВ 0,00015-0,1, соляную кислоту 2,0-24,0, ацетон 1,0-8,0, воду - остальное до 100% [6] (прототип). К недостаткам прототипа относятся:
1. Использование горючего и взрывоопасного компонента - ацетона.
2. Состав не содержит солей плавиковой кислоты, поэтому пригоден только для специфических накипей, не содержащих диоксид кремния и силикаты.
3. Состав содержит полифенольные соединения древесины или коры хвойных пород, индивидуальный состав которых зависит от породы дерева, способа выделения и других факторов, и изменение компонентного состава этой смеси может привести к осложнению при удалении накипи.
4. Состав, предлагаемый в прототипе, предполагает использование персульфатов - производных перекиси водорода, которая (как и сами персульфаты) является сильным окислителем и с органическим веществом - ацетоном может давать взрывоопасные гидроперекиси.
В данном техническом решении предлагается состав для удаления накипи с поверхностей теплообменного оборудования, содержащий:
соляную кислоту 2-15 мас.%;
ингибитор коррозии (уротропин или тиомочевина) 0,5-3%;
фторид натрия (калия или аммония) 1-4%;
мета-нитробензолсульфокислоту 3-7%;
воду - остальное до 100%.
Существенным отличительным признаком предлагаемого состава для удаления накипи является использование мета-нитробензолсульфокислоты, которая выступает в качестве активной кислотной компоненты, принимающей участие в растворении накипи и способной адсорбироваться на поверхности металла, выступая дополнительным ингибитором коррозии.
Оборотная система, содержащая накипь на теплообменных поверхностях, обрабатывается предлагаемым составом при температуре 70-80°C. Моющий состав после обработки сливается, и система промывается водой. Эффективность использования предлагаемого состава определена путем удаления накипи с внутренней поверхности медных трубок систем охлаждения тепловозов. Антикоррозионный эффект проверен на стальных пластинах из стали Ст3 гравиметрическим методом.
Пример 1. В качестве образцов использовали отрезки медной трубки, вырезанной из системы охлаждения тепловоза, длиной 5 мм, наружный диаметр - 25 мм, толщина стенки - 3 мм, нарост накипи - 4-6 мм. Образец трубы помещали в пластмассовую емкость, содержащую 10 г концентрированной соляной кислоты, 2 г уротропина, 2 г фторида натрия, 5 г мета-нитробензолсульфокислоты и 81 г воды. Растворение осуществляли путем нагревания емкости на водяной бане при температуре 70-80°C и непрерывном перемешивании. Полное растворение накипи на внутренней поверхности отрезка трубы осуществлялось за 35 мин. Коррозия на поверхности трубы не наблюдалась.
Пример 2. В условиях примера 1, но при использовании 15 г концентрированной соляной кислоты и соответственно 76 г воды, растворение накипи наблюдалось за 24 мин.
Пример 3. В условиях примера 1, но при использовании 5 г соляной кислоты и 86 г воды, растворение накипи наблюдалось за 47 мин.
Пример 4. В условиях примера 1, но при использовании 2 г соляной кислоты и 89 г воды полное растворение осадка наблюдалось за 93 мин.
Пример 5. В условиях примера 1, но при использовании 2 г тиомочевины (вместо уротропина) растворение накипи наблюдалось за 31 мин.
Пример 6. В условиях примера 1, но при использовании 4 г фторида калия (вместо фторида натрия) и 79 г воды растворение накипи наблюдалось за 26 мин.
Пример 7. В условиях примера 1, но при использовании 2 г фторида аммония (вместо фторида натрия) растворение накипи наблюдалось за 32 мин.
Пример 8. В условиях примера 6, но при использовании 5 г фторида калия и 78 г воды время растворения накипи составляло 25 мин.
Пример 9. В условиях примера 1, но при использовании 1 г фторида натрия и 82 г воды, растворение накипи происходило за 48 мин.
Пример 10. В условиях примера 1, но при использовании 7 г мета-нитробензолсульфокислоты и 79 г воды, растворение накипи происходило за 32 мин.
Пример 11. В условиях примера 1, но при использовании 3 г мета-нитробензолсульфокислоты и 83 г воды, время растворения накипи составляло 42 мин.
Пример 12. В условиях примера 1, но при использовании 2 г мета-нитробензолсульфокислоты и 84 г воды растворение накипи происходило за 68 мин.
Пример 13. Стальную пластинку (20×20×1,5 мм) из Ст3 помещали на 30 мин в раствор, содержащий состав, соответствующий примеру 1 при температуре 70-80°C. Методом гравиметрии оценена потеря массы пластинки (4%).
Пример 14. В условиях примера 13, но при введении в раствор 3 г уротропина и 82 г воды, потеря массы составила 3,8%.
Пример 15. В условиях примера 13, но при введении 0,5 г уротропина и 82,5 г воды, потеря массы пластинки составила 9%.
Пример 16. В условиях примера 13, но при использовании состава, отвечающего примеру 5, потеря массы пластинки составила 3,5%.
Пример 17. В условиях примера 13, но при применении состава, соответствующего примеру 2, потеря массы образца составила 6,8%.
Пример 18. В условиях примера 13, но при использовании состава, соответствующего примеру 11, потеря массы образца составила 5,2%.
Приведенные примеры использования предлагаемого состава для удаления накипи показывают, что увеличение количества соляной кислоты более 15 мас.% является нецелесообразным, т.к. это не дает существенного увеличения эффективности растворения накипи, но способствует усилению коррозии стального оборудования. Уменьшение количества соляной кислоты в составе для удаления накипи меньше 2% приводит к существенному увеличению времени растворения накипи. Содержание ингибитора коррозии наиболее целесообразно в количестве 0,5-3%, фторидов - 1-4%, мета-нитробензолсульфокислоты - 3-7%.
Таким образом, предложен состав, который эффективно удаляет накипь с теплообменных поверхностей, вызывает минимальную коррозию аппаратуры и содержит доступные компоненты, выпускаемые в промышленном масштабе.
Состав пригоден для удаления накипей, содержащих карбонаты, силикаты, диоксид кремния и сульфаты.
Источники информации
1. Дирей П.А., Абалихина Т.А., Сильванская Т.А. Ингибирование аномальных процессов в системах водоснабжения. // Обзорная информация. Серия: Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. - М.: НИИТЭХИМ. 1988. вып.1 (74). 42 с.
2. Иванов A.M. Основные пути ингибирования отложений солей жесткости и оценка их эффективности в конкретных условиях. // Химия и технология воды. 1987. Т.9. №4. С.307-311.
3. Ввозная Н.Ф. Химия воды и микробиология. - М.: Высшая школа. 1979. С.187.
4. Реми Г. Курс неорганической химии. T.1. - М.: Мир. 1972. С.618.
5. Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества. Справочник.//Под ред. А.А.Абрамзона Е.Д.Щукина. - Л.: Химия. 1984. С.338.
6. Лифанов Е.В., Колотыгин О.А. Патент РФ №2331591. 2008.