Сравнительный анализ эффективности очистки поверхности от накипи
Научно-исследовательская работа
на тему: "Сравнительный анализ эффективности очистки поверхности от накипи"
Выдержки из статьи.
Как в промышленности, так и в нашей повсеместной жизни используется различное оборудование, в котором происходит нагрев воды или пара. При высоких температурах происходит воздействие пара или воды на поверхность, с которой они соприкасаются, при этом наблюдается образование различного рода отложений и накипи. Эти отложения способны вызывать опасный перегрев этих поверхностей или снижение экономичности и эффективности работы аппарата. Всё это может привести к нарушению режима работы теплообменных аппаратов или вывести их из строя. На электростанциях образование отложений недопустимо, так как они могут привести к выводу из строя оборудования электростанции, либо к аварии. В быту подобное явление приводит к снижению экономичности работы и к увеличению затрат на нагрев агрегатов. После образования отложений и накипи необходимы соответствующие мероприятия по очистке поверхности, которые позволят после очистки нормально функционировать аппаратуре повысив её эффективность и экономичность до прежнего значения.
Актуальность проблемы очистки поверхностей от накипи и отложений, очень велика.
Образующийся слой веществ может называться накипью, когда его толщина достигает размеров, вызывающих опасный перегрев металлических стенок или когда присутствие этих веществ снижает экономичность работы агрегата. Следует заметить, что часто накипью называют только слой тех веществ, который образуется из растворенных или взвешенных в воде соединений.
Соединения, поступающие с питьевой водой в котлы и теплообменники разных типов при определенных условиях способны либо образовывать накипи, либо выделяться в форме рыхлых осадков (шлама). Накипь образуется в результате взаимодействия воды или присутствующих в ней реагентов с теплопередающей поверхностью металла, а также в результате выделения различных растворенных в воде веществ, при ее кипении, нагревании и испарении.
Образование накипи предупреждается предварительной химической обработкой воды, поступающей в котлы и теплообменники, однако несмотря на эти мероприятия образование накипи всё равно происходит. Удаляют накипь механическим и химическим способами или комбинированными.
Известные способы очистки теплообменных труб от накипи путем обработки ее соляной кислотой с добавлением в нее ингибиторов например, уротропина.
Для решения задач за рубежом предлагаются два новых метода предпусковой очистки: слабым 0,0001% раствором серной или соляной кислоты с гидразином и 3% раствором лимонной кислоты. Лимонная кислота образует с ионами железа, растворенными в воде комплекс, не разрушающийся при повышении значений рН с 4 до 8, т.е. устойчивый во время водных отмывок и даже при щелочении. Таким образом, при промывке лимонной кислотой все окислы железа переходят в раствор, а затем сбрасываются с котла.
Применение же слабых растворов кислот устраняет опасность протравления металла из-за оставления раствора в застойных зонах и, следовательно, позволяет расширить сферу предпусковой очистки, т.е. включить в промывочный контур питательной системы от деаэратора до котла, а также пароперегреватели.
Проведены исследования для установления оптимальных условий химической очистки оборудования для выбора эффективных пассиваторов.
Наиболее характерными режимными факторами, влияющими на процесс накипеобразования, являются гидродинамика, щелочность и газосодержание подогретого раствора. Влияние температуры на накипеобразование в чистых водных и промышленных растворов различно. Наиболее сильно оказывает влияние на процесс накипеобразования свойства используемой воды. Совокупность свойств воды, обусловлена наличием в ней присутствием в ней различных солей: преимущественно катионов Са 2+ (кальциевая жесткая вода) и Мg 2+ (магниевая жесткая вода). Сумма концентрации Са 2+ и Мg 2+ называют жесткостью воды [6]. Первая вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов Са и Мg [при кипячении разлагаются на СаСO3 и Мg(ОН)2 с выделением СО2], вторая - наличием сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов, фосфатов этих металлов. Одним из возможных источников этих солей являются горные породы (известняки, доломиты), которые растворяются в результате контакта с природной водой и грунты. Жесткость воды выражается в мг-экв/л: карбонатная жесткость отвечает той части катионов Са 2+ и Мg 2+ , кратна эквивалентно содержащимся в воде анионам.
Повышенная жесткость способствует усиленному образованию накипи в паровых котлах, отопительных приборах и бытовой металлической посуде, что значительно снижает интенсивность теплообмена, приводит к большим расходам топлива и перегреву металлических поверхностей.
Вода, применяемая в промышленности, как правило, содержит глину, песок и взвеси - около 8-19 мг/л, органические вещества (водоросли, коллоиды, гуминовые вещества из плодородной почвы - около 5 мг/л), соли - земельных металлов (натрий, калий (4-15 мг/л)), соли жесткости (кальций, магний, силикаты - 8-95 мг/л), растворенный кислород (5-12 мг/л), углекислый газ (100-700 мг/л).
Неорганические примеси, находящиеся в воде в основном в виде ионов: Na +, Са 2+, Мg 2+, К+, Cl-, SO4 2-, НСО3 -.
Главным накипеобразователем является Са2+ и Мg2+, образуются вначале гидрокарбонаты, а затем нерастворимые карбонаты этих металлов.
При кипячении гидрокарбонаты переходят в малорастворимые карбонаты:
Са(НСО3)2 > СаСО3 + СО2 + Н2О
Мg(НСО3)2 > МgСО3 + СО2 + Н2О
Чем интенсивнее нагревание, тем интенсивнее идут эти реакции. Содержание Са(НСО3)2 в растворе повышается при нарушении технологического режима, а также зависит от рН раствора. Гидрокарбонаты кальция в растворах находятся в нестабильном состоянии, и любое внешнее воздействие ускоряет кристаллизацию гидрокарбонатов.
Гидрокарбонаты магния ведут себя аналогично Са(НСО3)2, но разложение на малорастворимый карбонат и оксид углерода (ІІ) идет в полтора раза медленнее. В определенных физико-химических условиях Мg(НСО3)2 переходит в труднорастворимый гидроксид - Мg(ОН)2.
Карбонаты СаСО3 и МgСО3 ведут себя по-разному. Так при повышении температуры, но при постоянном давлении их растворимость уменьшается, а при повышении температуры и давления растворимость резко увеличивается (табл. 2.2), причем МgСО3 растворяется интенсивнее, чем СаСО3, а при высоких температурах раствора он гидролизуется и теряя СО2 переходит в Мg(ОН)2.
Железо концентрируется в котловой воде в меньшей степени, чем легкорастворимые соли (хлориды, сульфаты, натрий и т.д.), вследствие того, что значительная часть его расходуется на образование накипи.
Процесс железистого накипеобразования не зависит от скорости образования медных отложений. Скорость каждого из них определяется величиной тепловой нагрузки. При этом скорость отложения меди существенно меньше скорости отложения железистых соединений.
Основной составляющую железистых накипей являются окислы железа, выделяющиеся на поверхности нагрева в форме Fe3О4. Количество окислов железа в подобных отложениях достигает 70 - 90 %. Металлическая медь нередко также присутствует в железистых накипях, но содержание ее обычно не превышает 5 - 6 %. Скорость накипеобразования не зависит от валентности железа: двухвалентное железо прикипает так же интенсивно, как и трехвалентное в контуре парогенератора.
Высокое содержание кремниевой кислоты в питьевой и котельной воде в сочетании со значительными местными тепловыми нагрузками поверхности нагрева или ухудшенной циркуляцией вызывает образование алюмосиликатных и железистых накипей.
Образование накипи может быть следствием следующих процессов:
1. Кристаллизации веществ на поверхности нагрева;
2. Прилипания или налипания твердых частиц веществ;
3. Выпадения легкорастворимых солей и различных сложных соединений из концентрированной котловой воды;
4. Образование отложений, состоящих из продуктов коррозии.
Накипь может выделяться из воды при ее нагревании или кипении; возникать вследствие коррозионного воздействия воды или растворенных в ней примесей на металл; выделяться из пара при его перегреве и из воды при испарении.
Рассмотрение процесса накипеобразования проведем применительно к кальциевым соединениям, с учетом того, что в подавляющем большинстве воды содержание кальция обычно превышает содержание магния. Необходимо, однако, отметить, что для магния основой накипеобразования является гидроокись магния, обладающая малой растворимостью, в то время как гидроокись кальция имеет большую растворимость и накипеобразователем не является.
Влияние тепловой нагрузки на процесс выпадения солей жесткости на поверхность нагрева указывает на общность процессов образования разного вида накипей. Скорость отложения во всех случаях определяется одним и тем же фактором - местной температурной нагрузкой.
Источником железистых накипей на поверхности нагрева являются вносимые с питьевой водой окислы железа, образовавшиеся в результате коррозии элементов котла и трубопроводов. Скорость процесса увеличивается пропорционально росту ионизированного железа в растворе. Отложение железа происходит в отдельных точках - центрах кипения. Наиболее четко бугорчатость отложений железа можно наблюдать при сравнительно небольшом содержании железа в растворе; в этом случае поверхность нагрева покрыта небольшими отдельными бугорками накипи. При увеличении содержания железа размер бугорков увеличивается, и они сливаются друг с другом.
Физико-химические основы процессов растворения накипи и отложений определяются видом образованной накипи и отложений.
Для различных кислот характерна различная скорость очистки поверхностей от накипи. Это может объясняться различной силой кислот и физико-химическими процессами, протекающими в растворе и на поверхности накипи.
Некоторые кислоты с течением времени после удаления накипи начинают разъедать металл, т.е. начнут коррозировать его. В случае же удаления накипи с эмалированной поверхности, например, в домашних условиях очистка чайника, реагент не будет реагировать с поверхностью, так как она защищена эмалью. Поэтому для неэмалированных поверхностей необходимо выбирать четко фиксированной время очистки, либо предпочесть реагент, очищающий поверхность более медленно, при этом не взаимодействующий с поверхностью металла.
На основе проведенных опытов видно, что лучше всех накипи очищает: HNO3, H3PO4, HCl и CH3COOН. Для изучения скорости очистки в зависимости от температуры и от концентрации реагента проводили повторные исследования по изучению очистки в среде HNO3, H3PO4 и HCl.
Экспериментальные данные показали: в промышленных условиях для наиболее эффективной очистки, при обычной температуре, целесообразно применять раствор азотной кислоты, а для домашнего использования - раствор соляной кислоты в виду того, что она менее токсична, чем азотная
Также установлено, что при увеличении температуры от комнатной до 40 С происходит незначительное увеличение скорости очистки, а при увеличении скорости от 40 С до 50 С происходит резкое увеличение скорости очистки. Поэтому для увеличения скорости очистки её нужно проводить при повышенной температуре.
Из проделанной работы можно сделать вывод, что наиболее эффективно очищают поверхность растворы азотной, соляной и ортофосфорной кислот. Из этих трёх кислот наиболее эффективно очищает раствор азотной кислоты. Азотная кислота характеризуется своей токсичностью, поэтому она менее пригодна для домашнего использования, а больше пригодна для промышленности. Для ортофосфорной кислоты применение её для промышленностью ограничено, так как в ортофосфорной кислоте будет образовывается нерастворимая фосфатная плёнка. Для соляной кислоты концентрации больше 4,5 % и увеличении температуры от 40 С до 50 С наблюдается резкое увеличение скорости очистки. Поэтому в домашних условиях для очистки эмалированных поверхностей целесообразно применять раствор соляной кислоты при повышенной температуре. Для промышленности также целесообразно применять соляную кислоту при повышенной температуре.
В данной научно-исследовательской работе был провёден литературный обзор методов очистки поверхности от накипи и от отложений, рассмотрены вопросы накипеобразования. Проведены лабораторные исследования по очистке поверхностей от накипи, в качестве очищающих реагентов были испытаны растворы серной, уксусной, азотной, соляной и ортофосфорной кислот. Также были проведены исследования по изучению скорости очистки в зависимости от концентрации кислот и от температуры. После проведения работы был сделан выбор оптимального реагента для очистки, как для промышленных условий так и для повседневной жизни.
