способ удаления накипи

Формула изобретения

1. Способ удаления накипи с металлических поверхностей систем горячего водоснабжения путем обработки водной суспензией ионообменного материала при нагревании системы до температуры кипения воды и поддержания заданного значения PH-среды, отличающийся тем, что в качестве ионообменного материала используют водную суспензию катионита в H⁺-форме при барботировании и механическом перемешивании системы с последующим введением минеральной добавки, в качестве которой используют растворимые соли щелочного металла, при этом величину PH-среды поддерживают в интервале значений 1 - 3 до момента интенсивного газовыделения с последующей регенерацией отработанного катионита.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве растворимой соли щелочного металла используют хлорид натрия в количестве 1 - 100 мг-экв/л.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку водной суспензией катионита и введение минеральной добавки проводят в присутствии индикатора кислотно-основного равновесия.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области очистки систем горячего водоснабжения и минеральных отложений (преимущественно карбонатных) и может быть использовано для удаления накипи и продуктов коррозии с металлических теплообменных поверхностей трубопроводов, бытовых нагревательных приборов, паровых котлов, систем охлаждения двигателей внутреннего сгорания, радиаторов.

Известен способ удаления отложений накипи путем обработки поверхностей охлаждающих систем водными растворами реагентов из класса органических кислот в условиях температурного режима в пределах 40-80^oC, соответствующего режиму работы двигателей.

Известный способ сравнительно трудоемкий, недостаточно эффективен и длителен в связи с химической природой используемых реагентов ( 6-8 ч) [1].

Известен способ удаления накипи наиболее близкий по технической сущности к достигаемому техническому результату к предлагаемому, включающий обработку металлических поверхностей водной суспензией ионообменного вещества, в качестве которого использована смесь сильнокислого катионита в Na⁺-форме и сильноосновного анионита в Cl^--форме, при нагреве системы от комнатной температуры до температуры кипения при pH среды 3,5, с последующим отделением ионообменного материала, его регенерацией путем обработки неорганической кислотой и возвращением в технологический цикл для повторного использования [2].

К недостаткам известного способа относятся дефицитность используемого ионообменного материала, сложность и длительность процесса растворения накипи в случае использования смеси катионита и анионита вследствие малой подвижности противоиона в растворе по сравнению с ионом H⁺ и более низкого коэффициента взаимодиффузии в пленке, а также сравнительно невысокая эффективность и низкая экономичность процесса при использовании смеси дефицитных ионообменных материалов.

Задача предлагаемого изобретения заключается в разработке простого, экономичного и непродолжительного способа оперативного удаления накипи с металлических поверхностей на труднодоступных замкнутых участках систем горячего водоснабжения и теплообменного оборудования.

Новый технический результат, получаемый при использовании предлагаемого способа, заключается в повышении эффективности и снижении продолжительности удаления осадка накипи и продуктов коррозии ( в 5-10 раз по сравнению с прототипом, реализованным в условиях лабораторного эксперимента) с металлических поверхностей теплообменников, а также в упрощении способа за счет снижения трудоемкости.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе удаления накипи путем обработки поверхностей водной суспензией ионообменного материала при нагревании до температуры кипения воды и поддержании pH среды, в соответствии с предлагаемым способом в качестве ионообменного материала используют водную суспензию катионита в H⁺ форме при барботировании и/или механическом перемешивании системы, в которую дополнительно вводят добавку, в качестве которой используют водный раствор соли щелочного металла при установившемся pH среды в пределах 1-3, которую поддерживают до момента появления интенсивного газовыделения в системе с последующей регенерацией катионита для его повторного использования.

Дополнительно вводят индикатор кислотно-щелочного равновесия для повышения точности определения момента истощения катионита и возможности оперативного его регенерирования.

В качестве минеральной добавки используют хлористый натрий в количестве 1-100 мг-экв/л.

Дополнительный технический результат заключается в увеличении скорости растворения и повышения эффективности удаления накипи.

Предлагаемый способ удаления накипи включает поглощение ионов, вызывающих жесткость с использованием сильнокислотного катионита в H⁺ форме в виде водной суспензии. При добавлении катионита в H⁺ форме в замкнутые объемы в теплообменном оборудовании, имеющие на внутренних поверхностях плотные и значительные по толщине осадки минеральных отложений, возникающие при длительной их эксплуатации, происходит растворение осадков.

Основу накипи составляют карбонаты щелочно-земельных металлов, являющиеся труднорастворимыми соединениями (АХ), которые при добавлении катионита (RH) будут переходить в раствор:

Ax A⁺+X^- (1)

RH+A⁺ RA+H⁺ (2)

Положительно заряженные катионы A⁺ будут сорбироваться на катионите, тем самым способствуя растворению осадка, в растворе будут образовываться эквивалентное количество кислоты:

H⁺+X^- HX (3)

Растворение будет тем полнее и эффективнее, что подтверждается проведенными исследованиями, чем менее диссоциирована кислота. Условие практически полного растворения осадка:

ПР_AX > [A⁺][X^-] (4)

выполняется при добавлении сильнокислотного катионита, при этом концентрация A⁺ иона становится ничтожно малой.

В прототипе при использовании катионита в Na⁺ форме, не образующего с анионом малодиссоциирующего соединения, в растворе накапливается хорошо диссоциирующая соль (NaX), концентрация A⁺ будет повышаться и процесс ионного обмена замедляется.

Факт более эффективного растворения отложений накипи при использовании сильнокислого катионита в H⁺ форме в условиях pH среды в интервале 1-3 и в присутствии минеральной добавки в виде растворимой соли щелочного металла в заявляемом диапазоне установлен экспериментально. Так, в случае присутствия осадка карбоната кальция при pH 3 при обработке водной суспензией катионита с минеральной добавкой в виде NaCl скорость растворения резко возрастает в 2,3 10⁴ раза.

Процесс растворения карбонатной составляющей накипи протекает настолько интенсивно, что воздействие пузырьков выделяющегося газа (CO₂) механически воздействует на слой накипи, вызывая ее эррозию, что в условиях значительного насыщения и в сочетании с принудительным барботированием и механическим перемешиванием приводит к разрыхлению и развитию эффективной площади, а также снижению механической прочности даже застарелых, особо прочных осадков.

Введение затравки в виде соли щелочного металла приводит к дополнительному взаимодействию с карбонатной составляющей накипи с образованием хорошо растворимых солей щелочноземельных (в общем случае) металлов.

Эти соли, взаимодействуя с катионитом, возвращают израсходованную в процессе минеральную кислоту в цикл в эквивалентном количестве. Процесс повторяется до тех пор, пока не израсходуется суммарная емкость исходного количества катионита, которое определяют на основе визуального наблюдения до полного (видимого) удаления накипи, поскольку рассчитать его в практических условиях не представляется возможным.

При использовании добавки в меньших, чем в заявляемом диапазоне, количествах процесс растворения менее интенсивен, использование больших количеств нецелесообразно в плане экономии материала и отсутствия существенного эффекта повышения скорости растворения.

Для уточнения момента времени истощения катионита предложено использования индикатора кислотно-щелочного равновесия, изменение окраски которого является сигналом к своевременной замене отработанной порции ионообменного материала.

Таким образом предлагаемый способ позволяет при меньшем количестве исходных материалов и трудозатратах значительно быстрее и эффективнее удалять плотные осадки накипи в труднодоступных участках теплообменного оборудования, чем это было достигнуто в прототипе.

Возможность практического осуществления изобретения подтверждается следующими примерами конкретного выполнения.

Пример 1. К водной суспензии, содержащей 50 мл сухого сильнокислого катионита КУ-2 в H⁺ форме (зернение 0,3 - 1,25 мм) в 100 мл дистиллированной воды добавлено 10 мгэ/л NaCl (хлорида натрия) - 0,56 г и навеска накипи (0,85 г) в виде плотного осадка, взятого со стенок эксплуатируемого оборудования.

При барботировании воздухом и механическом перемешивании суспензия нагревалась до 80^oC. Навеска накипи полностью растворилась за 50 мин. Индикатор кислотно-щелочного равновесия - метиловый красный pH среды 3.

Пример 2. В условиях примера 1, но в качестве образца накипи использован 1,0 г сульфата кальция безводного

Нагрев системы производился до 60^oC.

Навеска растворилась за 20 мин.

Пример 3. В условиях примера 1, в качестве минеральной добавки использовалась соль хлорида натрия в количестве 100 мг экв/л, навеска накипи в виде порошка карбоната магния

Растворение навески произошло за 5 мин.

Пример 4. В условиях примера 3, но температура нагрева - 30^oC.

Растворение реализовано за 10 мин.

Пример 5. В условиях примера 1, навеска хлорида натрия 1 мгэкв/л (0,06 г). Растворение навески накипи реализовано за 1 ч.

Как показали экспериментальные исследования, использование предлагаемого способа позволяет значительно повысить скорость и эффективность растворения осадка накипи, по сравнению с прототипом, и упростить способ.