химическое средство для очистки поверхностей от минеральных отложений различного происхождения

Формула изобретения

1. Химическое средство для очистки поверхностей от минеральных отложений различного происхождения, включающее азотную кислоту и мочевину, отличающееся тем, что оно содержит азотную кислоту в смеси с мочевиной в молярном соотношении 1:1 и дополнительно воду и стабилизирующую влагосодержание добавку при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Вода - 5 - 10

Стабилизирующая влагосодержание добавка - 1 - 5

Смесь азотной кислоты с мочевиной в молярном соотношении 1:1 - Остальное

2. Химическое средство по п.1, отличающееся тем, что стабилизирующую влагосодержание добавку выбирают из группы, включающей неорганические соли, в частности нитрат кальция, нитрат магния, и кислоты, в частности фосфорную, сульфаминовую.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химическим средствам для очистки поверхностей от минеральных отложений различного происхождения и может быть использовано в молочной промышленности для очистки технологического оборудования (пастеризаторов, стерилизаторов и т.п.) и в других областях агропромышленного комплекса, а также в энергетической области, например котлоочистке, для очистки поверхностей теплообменных аппаратов, резервуаров, трубопроводов и т.п. от накипи.

Для химических очисток различного оборудования обычно используют растворы сильных минеральных кислот (соляной, серной, плавиковой, фосфорной), реже применяют растворы органических кислот и комплексонов (ЭДТА, трилон Б, ОЭДФ, НТФ, дифалон и др.).

Наиболее эффективны растворы соляной кислоты, выбор технологии очистки которой в сочетании с добавками и щелочными обработками позволяет удалять отложения практически любого состава. Достаточно эффективны растворы серной кислоты (за исключением отложений, содержащих карбонаты кальция). Жидкие составы на основе серной кислоты используют для прочистки дренажных труб (Патент США N 5429764).

В тех случаях, когда необходимо удалить маслянистые отложения и защитить металл от коррозии в процессе очистки, хорошие результаты дает использование фосфорной кислоты. В чистом виде фосфорная кислота используется редко, в основном в смеси с другими кислотами, в качестве ингредиента составов, например в составе для очистки и придания блеска алюминиевой поверхности по патенту США N 4970014.

Однако минеральные кислоты и их растворы достаточно токсичны, образуют едкие окислы, поражающие оболочку верхних дыхательных путей, не удобны в обращении, требуют применения индивидуальных защитных средств и обезвреживания.

Достаточно широко используют для химических очисток различного оборудования сульфаминовую кислоту. Важным преимуществом применения этой кислоты является ее малая токсичность, устойчивость в сухом виде и в виде водных растворов, она удобна в применении (сухой, нетоксичный реагент).

Сульфаминовая кислота хорошо растворяется в воде. Большая константа диссоциации K_д (1,0110^-1) кислоты и хорошая растворимость растворов сульфонатов большинства катионов обеспечивает эффективность растворения отложений различного состава (в том числе железоокисных, кальциевых и смешанных). На предприятиях молочной промышленности для очистки технологического оборудования от минеральных солей молока (молочного камня) и солей жесткости воды разрешено использовать только азотную и сульфаминовую кислоты (Р.Г.Алагезян. Моющие и дезинфицирующие средства в молочной промышленности. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981), а также составы на их основе, например состав по патенту ФРГ N 1221752.

Однако применение этого средства в концентрации 25 г/л вызывает резковыраженную коррозию алюминия с равномерным потемнением его поверхностей, потеря веса при этом составляет 14,27 г/м²год, что превышает допустимую норму в 7 раз.

Как и большинство минеральных кислот, водные растворы которых имеют низкое значение pH, растворы сульфаминовой кислоты при очистке коррозионно-активных металлов (Fe, Al, Zn, сплавы меди, стали, чугун) могут быть использованы только при добавлении эффективных ингибиторов коррозии. Например, известен состав препарата "КСЩ-1" по а.с. СССР N 1385608.

Кроме того, несмотря на то, что сульфаминовая кислота выпускается отечественной промышленностью, спрос на нее превышает выпуск, что создает ее дефицит на потребительском рынке. В связи с этим, на производстве в качестве моющего средства используют минеральные кислоты (H₂SO₄, HNO₃, HCl), что приводит к быстрому износу технологического оборудования.

Недостатком использования самой сульфаминовой кислоты является то, что при нагреве свыше 50^oC в растворе она разлагается с образованием серной кислоты:

H₂NSO₃H + H₂ ---> H₂SO₄ + NH₃,

вызывающей высокую степень коррозии металла, разрушение резиновых прокладок, а образующийся на поверхности отложений сульфат кальция препятствует процессу очистки.

Наиболее близким к предлагаемому составу является моющее средство РМК-АК-1 для очистки молочного оборудования по а.с. СССР N 1074897, которое содержит в качестве кислоты азотную кислоту, полиэтиленгликолевый эфир синтетических жирных спиртов фракции C₁₀ - C₁₈, алкилбензосульфонат натрия, в качестве ингибитора коррозии - гексаметилентетрамин или гексаметилендиамин и мочевину при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Азотная кислота, в пересчете на 100%-ную - 30 - 35

Полиэтиленгликолевый эфир синтетических жирных спиртов фракции C₁₀ - C₁₈ - 0,5 - 2,5

Алкилбензосульфонат натрия - 0,5 - 1,5

Гексаметилентетрамин или гексаметилендиамин - 1 - 3

Мочевина - до 100

Данное моющее средство представляет собой белый сыпучий порошок. Средство и его водные растворы пожаро- и взрывобезопасны. Низкая пенообразующая и высокая растворяющая способность средства при низкой коррозионной активности позволяют применять его растворы не только для удаления молочного камня в молочной промышленности, но также для растворения накипи в теплообменниках ТЭУ и т.п.

Однако средство РМК-АК-1 не получило широкого распространения из-за сложности его получения. Нарушение пропорции состава, а также последовательности операции смешения приводит к разрушению других компонентов средства за счет окисляющего и расщепляющего действия раствора азотной кислоты. В отдельных случаях добавление ПАВ к азотной кислоте приводит к столь бурной реакции, что масса выбрасывается из реакционного аппарата.

Кроме того, в настоящее время в молочной промышленности стараются использовать безпавные моющие средства, так как при неудовлетворительной промывке технологического оборудования после процесса мойки постоянно обнаруживается ПАВ в молоке. Все эти недостатки, в конечном итоге, снижают эксплуатационные свойства средства, сводят на нет имеющиеся преимущества.

Задачей настоящего изобретения является разработка химического средства для очистки поверхностей от минеральных отложений различного происхождения, обладающего улучшенными эксплуатационными свойствами, позволяющего расширить ассортимент имеющихся средств того назначения на основе доступного сырья, свободного от недостатков прототипа, за счет исключения возможности нежелательных последствий при производстве и использовании путем оптимизации состава.

Поставленная задача решается предлагаемым химическим средством для очистки поверхностей, который содержит смесь азотной кислоты с мочевиной в молярном соотношении 1:1, воду и стабилизирующую влагосодержание добавку, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Вода - 5 - 10

Стабилизирующая влагосодержание добавка - 1 - 5

Смесь азотной кислоты с мочевиной в молярном соотношении 1:1 - Остальное

Кроме того, стабилизирующую влагосодержание добавку выбирают из группы, включающей неорганические соли, в частности нитрат кальция, нитрат магния, и кислоты, в частности фосфорную, сульфаминовую.

Так же как в прототипе, основой средства являются азотная кислота и мочевина, но взятые в молярном соотношении 1:1 позволяют получить средство в кристаллическом виде без отгонки воды.

Вода применяется для исключения электризуемости средства и его пыления в процессе эксплуатации.

Стабилизирующая влагосодержание добавка предотвращает испарение воды, способствует сохранению сыпучих свойств средства при длительных сроках хранения, создает условия для равномерного распределения влаги по объему, и как, следствие, обеспечивает стабильность эксплуатационных свойств средства.

Совместное применение воды и добавки из группы, включающей неорганические соли, в частности нитрат кальция, нитрат магния (кристаллогидраты), и кислоты, в частности фосфорную, сульфаминовую (обладают гигроскопичностью), обеспечивает стабильность свойств средства.

Предлагаемое средство "Нетрол" представляет собой сыпучее кристаллическое вещество от белого до серого цвета, устойчивое при нормальных условиях и не разлагающееся на свету. При контакте с лучом огня (спички) не воспламеняется. Водные растворы пожаро- и взрывобезопасны. Средство в сухом виде не токсично, не оставляет кислотных ожогов (покраснений, желтых пятен) при контакте с кожей (даже во влажном состоянии и растворе).

Изобретение иллюстрируется следующими примерами:

Пример 1. Растворение минеральных солей в водных растворах "Нетрола".

Навеску минеральной соли в 1 г помещают в термостатируемый стакан с моющим раствором (200 мл) и постоянно перемешивают при температуре 655^oC. Выдерживают 60 минут и нерастворившуюся часть навески отфильтровывают, промывают водой и сушат при 1005^oC до постоянного веса, по разности массы определяют степень растворения навески. В случае полного растворения навески, фиксируют время растворения. Для сравнения интенсивности процесса растворения параллельно проводят опыт по растворению минеральных солей в растворе сульфаминовой кислоты. Результаты исследований приведены в таблице 1.

Пример 2. Растворимость молочного осадка в водных растворах "Нетрола".

В качестве загрязнения использовали осадок, образующийся в секциях пастеризатора со стороны хладо- и теплоагента и содержащий соли кальция - до 14%, соли магния - 8%, окислы железа - до 52% и воду (влагу) - остальное.

Для определения очищающей (растворяющей) способности "Нетрол" и азотную кислоту использовали в 0,5, 1,0, 2,0 и 4,0%-ной концентрации по основному веществу.

Навеску массой 0,1 г помещают в пробирку, вносят 10 мл водного раствора химического средства (в качестве объекта сравнения используют азотную кислоту) в указанных выше концентрациях, выдерживают при комнатной температуре в течение 15 минут. Затем пробирку помещают в водяную баню и выдерживают в ней 30 минут при температуре 755^oC. По истечении этого времени содержимое пробирки отфильтровывают через предварительно высушенные и взвешенные фильтры, промывают дистиллированной водой и подсушивают в сушильном шкафу при температуре 100 - 105^oC в течение 4 часов, затем взвешивают. По разнице результатов взвешивания до сушки и после сушки фильтров с остатками загрязнений определяют степень растворения навески в растворах кислот. Результаты исследований приведены в таблице 2.

Пример 3. Растворимость отложений (накипи) в водных растворах "Нетрола".

В качестве отложений использовали осадки с поверхности трубок промышленного теплообменника со стороны теплоносителя, а также с поверхности греющего элемента бытового чайника.

Навеску массой 1 г помещают в термостойкий стакан, вносят 100 мл водного раствора химического средства (в качестве объекта сравнения используют соляную и сульфоминовую кислоты) в соответствующих концентрациях, выдерживают при температуре 60^oC в течение 6-7 часов. По истечении того времени содержимое стакана отфильтровывают через предварительно высушенные и взвешенные фильтры, промывают дистиллированной водой и подсушивают в сушильном шкафу при температуре 100-105^oC в течение 4 часов, затем взвешивают. По разнице результатов взвешивания до сушки и после сушки фильтров с остатками отложений определяют степень растворения навески в растворах кислот. Результаты исследований приведены в таблице 3.

Пример 4. Коррозия медной пластины в водных растворах "Нетрола", азотной и сульфаминовой кислотах.

В коническую колбу (250 мл), закрывающуюся пробкой, помещают медную пластину (30 х 30 мм) и заливают 200 мл исследуемого раствора определенной концентрации и выдерживают при комнатной температуре (20-25^oC) в течение 1-4 месяцев. Периодически пластину вынимают, промывают водой и сушат при 955^oC до постоянного веса, взвешивают и определяют степень коррозии. Параллельно, аналогично, ведут исследования по коррозии медной пластины с азотной и сульфаминовой кислотами. Результаты исследований приведены в таблице 4.

Водные растворы при концентрации вещества 0,5-10% достаточно хорошо растворяют карбонаты кальция и магния (см. таблицу 1), молочный осадок (см. таблицу 2), а также накипь (см. таблицу 3), при умеренной степени коррозии (см. таблицу 4).

Из приведенных примеров видно, что водные растворы "Нетрола" по своей эффективности растворения осадков не уступают, а в некоторых случаях и превосходят известные реагенты. В качестве контрольного реагента служила азотная кислота, традиционно используемая в молочной промышленности для очистки поверхности оборудования от минеральных отложений неорганического характера. (Инструкция по санитарной обработке оборудования на предприятиях молочной промышленности, ЦНИИТЭИМясомолпром СССР. - М.: ВНИМИ, 1979).

Способ получения "Нетрола" заключается в растворении карбамида в воде. К полученному раствору добавляют раствора азотной кислоты концентрации 50-97%. Полученную суспензию охлаждают до температуры, не превышающей 10^oC. Осадок отфильтровывают, провяливают и промывают водным раствором, содержащим расчетное количество стабилизирующей влагосодержание добавки (например, нитрат кальция), затем отжимают и сушат до влажности 5-10%.

Варьирование концентрацией азотной кислоты в указанном интервале позволяет использовать маточные растворы от фильтрации осадка для растворения новой порции карбамида с таким расчетом, что практически не образуется сточных вод (отходов). Таким образом, в производстве возможно зацикловывание отработанных вод, что приводит к созданию безотходного экологически чистого процесса. Основным достоинством этого способа получения является то, что карбамид растворяется в водном растворе нитрата мочевины, полученного растворением реактивного или технического сырья, или же использованием маточного раствора после фильтрации осадка. При этом выход "Нетрола" составляет количественное значение в расчете на получение нитрата мочевины, взятого на процесс карбамида. Данный пример не ограничивает возможности способов получения средства "Нетрол".

"Нетрол" и его водные растворы имеют низкую коррозионную способность к н/стали Х18Н10Т - 0,0037 - 0,0012 мм/год.

Сравнение заявляемого состава химического средства "Нетрол" с прототипом показало, что хотя в обоих составах присутствуют азотная кислота и мочевина, но предлагаемый состав отличается наличием воды и стабилизирующей влагосодержание добавки, а также иным количественным составом, чем у прототипа, т. е. техническое решение обладает "новизной".

Сопоставительный анализ отличительных признаков в совокупности с остальными существенными признаками не только с прототипом, но и с другими составами показал, что в технике неизвестно средство для очистки поверхностей от минеральных отложений различного происхождения, в котором бы имело место предложенное сочетание компонентов. Но именно такое сочетание позволило получить средство для очистки с высокими эксплуатационными характеристиками (не пылит, не слеживается, не электризуется), расширить ассортимент имеющихся средств на основе доступного сырья, исключить саму возможность нежелательных последствий при производстве и использовании, т.е. решить поставленную задачу. Это дает основание считать заявляемое техническое решение соответствующим изобретательскому уровню.

Входящие в средство "Нетрол" компоненты не являются дефицитными и изготавливаются промышленностью. Способ изготовления достаточно прост и осуществляется на известном оборудовании. Необходимость расширения ассортимента средств с улучшенными свойствами сомнений не вызывает. Таким образом, предложение обладает промышленной применимостью.

Для экспериментальной проверки заявляемого средства "Нетрол" были приготовлены 5 составов, три из которых показали оптимальные результаты (см. таблицу 5).

Состав 1 не удовлетворяет требованиям по эксплуатационным свойствам, что связано с пылением и электролизацией порошка из-за низкого содержания воды и добавки.

Состав 5 из-за высокого содержания воды порошок теряет сыпучесть и не отвечает эксплуатационным требованиям.

Высокие эксплуатационные свойства разработанного химического средства "Нетрол" для очистки поверхностей расширяет границы его использования. Применение заявляемого состава не требует использования промывных (очищающих) растворов и дорогостоящих, дефицитных материалов для его производства, кислотоупорного вспомогательного оборудования для транспортировки, разгрузки, хранения. Что значительно упрощает процесс очистки, повышает эксплуатационные удобства и позволяет удовлетворить давно существующую потребность в средстве такого назначения.