гдеА(Са + Мg) - скорость образования отложений кальция и магния, мг/(см2 ч);

q - величина тепловой нагрузки поверхности нагрева, Вт/м2;

С(Са + Мg) - концентрация кальция и магния в воде, мг/кг.

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.

Возникновение медных накипей связано с восстановлением ионов меди по схеме:

Cu2+ + Fe > Fe2+ + Cu

Как следует из уравнения Нернста, практически при любой концентрации ионов меди в растворе должно протекать ее выделение на железе. Остаточное, равновесная концентрация меди в системе Cu/Fe весьма мала и составляет

0,16 · 10-31 молей при 25єС.

В питьевой и котловой воде электростанций содержание меди обычно составляет сотые и тысячные доли мг/кг, т.е. 10-7 - 10-8 молей. Хотя эти величины во много раз превосходят равновесную концентрацию меди, выделение металлической меди, как правило, не происходит ни в питьевых трубопроводах, ни в экономайзерах, ни даже на значительной части поверхности нагрева парогенератора.

То обстоятельство, что металлическая медь выделяется лишь на некоторых, относительно незначительных по величине участках поверхности нагрева, связано с тем, что основной причиной этого процесса, является не термодинамическая возможность его протекания, а наличие разности потенциалов между отдельными участками поверхности металла. Значение этой разности не должно быть достаточно большим, чтобы мог протекать процесс электролитического выделения меди при данной концентрации ее ионов в растворе.

Кроме электрохимического выделения металлической меди можно предположить действие и других механизмов, например, редукцию меди из ее соединений различными восстановителями. Веществ способных восстанавливать медь до металлического состояния из растворов известно немало. При комнатной температуре и при нагреве до кипения, медь способны восстанавливать: гидразин, углеводы и многие органические вещества, имеющие двойную или тройную связь между углеродными атомами. Очевидно, что при высокой температуре активность этих восстановителей должна повыситься равно, как возрастает и число веществ, способных восстанавливать медь. Атомарный водород, выделяющийся в результате перехода закиси железа (Fe3О4) или взаимодействия воды с железом, также может служить восстановителем меди. Однако если бы образование медных накипей являлось следствием только воздействия восстановителя, то трудно было бы объяснить принципы столь четкой локальности выделения меди. Локальность выделения меди и четкая зависимость мест ее выделения от тепловой нагрузки свидетельствует о том, что это электрохимический процесс.

Источником железоокисных накипей на парогенераторные поверхности нагрева являются вносимые с питьевой водой окислы железа, образовавшиеся в результате коррозии элементов парогенератора. 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.

На основе этих опытов предложена следующая эмпирическая формула для расчета скорости железоокислого накипеобразования.

А Fe > 5,7 · 10-14 · С Fe · q2 ,

гдеА Fe - скорость, мг/(см2 ч);

q - тепловая нагрузка поверхности нагрева, Вт/м2;

С Fe - концентрация железа в воде, мг/кг.

2.3 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕАКЦИЙ РЕАГЕНТОВ С НАКИПЬЮ

Процесс химической очистки растворами гидразин-сульфат и кислоты или растворами гидразина и кислоты нам [4] представляется следующим образом: гидразин-сульфат при растворении в воде образует серную кислоту.

N2H4 ·H2SO4 + H2O > N2H4 · H2O + H2SO4

6Fe2O3 + N2H4 · H2O > 4Fe3O4 + N2 + 3H2O

Благодаря этому происходит частичное разрушение окалины при увеличении ее объема переход Fe2O3 в Fe3O4. Cерная кислота растворит образующиеся закись-окись железа, а также окислы железа.

Fe3O4 + 4H2SO4 > FeSO4 + Fe2(SO4)3 +4H2O

Fe2O3 +3H2SO4 > Fe2(SO4)3 + 3H2O

Гидразин-гидрат восстанавливается в растворе Fe (III) до Fe (II):

2Fe2(SO4)3 + N2H4 · H2O > 4FeSO4 + 2 H2SO4 +N2 + H2O

При растворении накипи в среде серной кислоты процесс растворения карбонатной накипи описывается уравнением [4]:

CaCl2 + H2SO4 + 2NaCl > CaCl2 + NaSO4 + CO2 +H2O

Однако такой способ очистки не исключает образования вторичных сульфатных отложений, процесс образования которых описывается уравнением:

CaCl2 + H2SO4 + 2H2O > Ca SO4 · 2H2O + 2HCl

Двуводный сульфат кальция образуется поверх слоя карбонатной накипи СаСО3 и препятствует ее полному растворению, сильно замедляя процесс растворения.

Растворение углекислых солей кальция и магния соляной кислотой протекает по уравнению:

Са(НСО3)2 + 2 HCl > CaCl2 + СО2 + Н2О

Мg(НСО3)2 + 2 HCl > MgCl2 + СО2 + Н2О

Физико-химические основы процессов растворения накипи и отложений определяются видом образованной накипи и отложений. В таблице 2.4 приведены различные виды отложений которые могут образовываться в пароводяном цикле.

Таблица 2.4 - Фазовый состав отложений

В основе методики проведения эксперимента лежит измерении изменения массы образца с течением времени и визуальное наблюдения за процессом очистки. Эксперимент проводился на лабораторной установке изображенной на рисунке 3.1.

20

На рисунке 3.1 изображена схема лабораторной установки, которая представляет собой стеклянный цилиндрический сосуд из прозрачного стекла, в которую опущен термометр. Опущенный термометр служит для наблюдения за температурой в процессе очистки.

Порядок проведения эксперимента:

1. Приготовить раствор кислоты, заданной концентрации.

2. Залить раствор кислоты в стеклянный стакан.

3. Взвесить образец на аналитических весах.

4. Замерить температуру раствора в стакане.

5. Бросить образец в раствор и засечь время.

6. По истечению времени выключить секундомер и вытащить образец, замерив температуру раствора.

7. Затем промыть образец в дистиллированной воде, просушить и взвесить и взвесить на аналитических весах.

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, или выбор реагента будет в пользу того, который очищают поверхность более медленно, при этом не взаимодействует с поверхностью метала. Результаты исследований очистки поверхности от накипи в среде различных реагентов при температуре окружающей среды приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Изучение процесса очистки поверхностей от накипи при температуре окружающей среды

Потери при очистке вычисляли по формуле:

гдеG1 - масса накипи перешедшей в раствор, г;

G2 - начальная масса образца, г.

Из расчетов, приведенных выше 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.

3.3 ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОТ НА СКОРОСТЬ ОЧИСТКИ

Изучение влияния концентрации на скорость очистки проводилось на той же лабораторной установке приведенной на рисунке 3.1. Результаты исследований приведены в таблице 3.2

Таблица 3.2 - Результаты исследований влияния концентраций кислот на процесс очистки поверхностей от накипи при температуре окружающей среды

Потери при очистке рассчитаем по формуле приведенной выше.

На основании полученных экспериментальных данных я сделала вывод: для очистки 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. Поэтому процесс очистки при повышении температуры изучим для раствора соляной кислоты.

Изучение процесса очистки при повышенной температуре для соляной кислоты проводилось на установке изображенной на рисунке 3.1. Для поддержания повышенной температуры она была помещена в термостат с электронагревом. Результаты исследований представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Результаты исследований влияния температуры на процесс очистки поверхности от накипи в среде соляной кислоты

Потери при очистке вычислим по формуле приведенной выше:

Для построения графика кинетической зависимости построим график зависимости скорости очистки, в зависимости от концентрации кислоты. Для этого скорость очистки выразим как массу вещества перешедшего за одну минуту. Для чего массу вещества перешедшую в раствор разделим на время за которое она перешла. График зависимостей примет вид (рис.4.1.- 4.3).

Рис. 4.1 - Зависимость скорости очистки от концентрации азотной кислоты.

Рис. 4.2 - Зависимость скорости очистки от концентрации соляной кислоты.

Рис. 4.2 - Зависимость скорости очистки от концентрации ортофосфорной кислоты.

Анализируя графики зависимостей можно сделать такие выводы: увеличение концентрации азотной кислоты будет способствовать увеличению скорости растворения накипи. В зависимости скорости растворения для соляной кислоты имееет место минимум в области приблизительно 4 % массовых. Увеличение концентрации выше 4 % способствует увеличению скорости растворения. Для фосфорной кислоты наблюдается обратная зависимость, когда с ростом концентрации кислоты скорость очистки снижается, это может объясняется тем, что при взаимодействии солей кальция с ортофосфорной кислотой происходит образование фосфатов кальция, которые образуют на поверхности нерастворимую плёнку.

Для построения графика кинетической зависимости построим график зависимости скорости очистки, в зависимости от температуры. Для этого скорость очистки выразим как массу вещества перешедшего за одну минуту. Для чего массу вещества перешедшую в раствор разделим на время за которое она перешла. График зависимостей примет вид (рис.4.4).

Рис. 4.4 - Зависимость скорости очистки соляной кислоты от температуры.

Из графика зависимости видно, 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.

Страницы: 1, 2, 3