Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:патенты / Сборник патентов_13933
.pdf
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ GB364746A
[]
Второе издание
ПАТЕНТНАЯ СПЕЦИФИКАЦИЯ
Дата принятия Конвенции (США): 23 ноября 1929 г. Дата подачи заявки (в Соединенном Королевстве): 8
ноября 1930 г. № 33708. Заявка принята: 14 января 1932 г.
ПОЛНАЯ СПЕЦИФИКАЦИЯ.
Усовершенствования в области обработки воды для паровых котлов или связанные с ней.
Я, Джон X. Мэттленд Хок Пвуд, гражданин Соединенных Штатов Америки, проживающий в районе Дормонт,
штат Пенсильвания, Соединенные Штаты Америки, правопреемник Ральфа Эмморса Холла и Хми Р. Ас К. Эв
Дж. Ак Ксо Н., оба граждане Соединенных Штатов Америки, проживающие в Маунт-Лебаноне, штат
Пенсильвания, Соединенные Штаты Америки, настоящим заявляю о характере данного изобретения и о
способе его осуществления, которые будут подробно описаны и установлены в следующем заявлении:
Настоящее изобретение относится к водоподготовке, и в частности к обработке воды в паровых котлах, и
особенно к обработке воды в паровых котлах химическими веществами, водные растворы которых являются
либо щелочными, либо имеют относительно слабую кислотность, но которые в результате изменений,
происходящих в их характере при температурах и условиях, существующих в котловой воде, претерпевают
трансформацию, которая увеличивает их щелоченейтрализующую способность. Растворы обрабатывающих
химических веществ, которые могут быть как щелочными, так и иметь относительно слабую кислотность,
могут использоваться с минимальным или полным отсутствием коррозионного воздействия на подающие или
инжекционные устройства.
В более конкретном варианте осуществления изобретение относится к использованию химических реагентов,
которые, помимо превращения в котловой воде в вещества с большей щелоченейтрализующей
способностью, после превращения образуют радикалы, которые соединяются в котловой воде с
щелочноземельными металлами, образующими накипь, с образованием неприлипающего шлама и тем
самым предотвращают образование прилипшей накипи в котле.
Конкретными и предпочтительными химическими веществами, обладающими этими свойствами, являются
метафосфаты и пирофосфаты, которые в результате химических превращений в сильно нагретой котловой
воде относительно быстро превращаются в кислые ортофосфаты, образуя ортофосфатный радикал, который
поддерживает равновесие в котловой воде, необходимое для предотвращения образования накипи, и кислый
водород, который противодействует тенденции к чрезмерной концентрации щелочности в котловой воде.
lЦена ls l Химические вещества для обработки, такие как метафосфаты и пирофосфаты, вызывают или
позволяют поддерживать необходимую щелочность питательной воды для предотвращения коррозионного
воздействия на водонагреватели и трубопроводы. Метафосфаты кальция и пирофосфаты кальция
значительно более растворимы, чем трикальцийортофосфат. Следовательно, добавление метафосфата и
пирофосфата в питательную воду значительно менее способствует пересыщению нерастворимыми солями
кальция и, следовательно, менее способствует образованию отложений в трубопроводах.
В современной практике парогенерации прилагаются все усилия для повышения эффективности, как с точки
зрения экономии топлива 70, так и с точки зрения получения максимального количества пара от каждого
генераторного агрегата. Для достижения желаемой эффективности необходимо, чтобы все поверхности
парогенерирующей системы, контактирующие с водой, были защищены от разрушения, будь то образование
накипи на них или повреждение в результате коррозии, коррозионной усталости или эффектов, иногда
описываемых как «охрупчивание», и чтобы в котловой воде были установлены и постоянно поддерживались
условия, наилучшим образом способствующие минимизации попадания окиси в отходящий пар 85. Во-первых,
будут определены условия в контактирующей воде, которые наилучшим образом предотвращают
растворение удерживающих железных или стальных поверхностей, независимо от того, является ли это
растворение общим для всех поверхностей или проявляется в виде ямок или борозд.
Со всех точек зрения лучше всего свести содержание растворенного кислорода в воде к минимуму, и
особенно начиная с точки в системе 95, когда температура повышается выше обычной комнатной или
наружной температуры. Поскольку этот фактор предотвращения коррозии не имеет конкретного применения в
данной спецификации, в дальнейшем обсуждении будет предполагаться, что предусмотрена достаточная
деаэрация воды.
Установлено, что слабая щелочность воды, контактирующей с железом или сталью (105%), наилучшим
образом предотвращает коррозию (746 130).
«Значение pH образца, взятого из любой точки системы, ни в коем случае не должно быть меньше 8
(определение производится любым из обычных методов после охлаждения образца примерно до комнатной
температуры) и лучше поддерживать его несколько выше этого значения. Таким образом, в подогревателе
питательной воды, линиях подачи и экономайзере значение pH воды, равное 8, хотя и в значительной степени
минимизирует коррозию, не так эффективно, как значение pH от 9 до 10. В самой котловой воде значение pH
(определяемое, как описано выше) никогда не должно быть ниже 10 и лучше всего поддерживать его
несколько выше, приблизительно от 11,0 до 11 в большинстве случаев.»
Если подаваемая вода умягчается одним из различных типов известково-содовых умягчителей; При
правильной эксплуатации значение pH котла, как правило, находится в пределах, указанных выше для
нагревателя, подающих трубопроводов и экономайзера, и, следовательно, не вызывает коррозии.
Смешивание чистого возвратного конденсата с умягченной водой путем ее разбавления снижает значение
pH, а в случае высокого содержания конденсата может снизить его ниже желаемого значения, поэтому
целесообразно повысить его путем добавления раствора соответствующего щелочного химического
вещества. Однако котловая вода сама по себе интегрирует эту незначительную щелочность подающей воды
в более высокую щелочность — щелочность не выходит из котла с паром и обратно пропорциональна
продувке. Сохранение продувки является одним из факторов повышения эффективности работы, но
поскольку котловая вода представляет собой сумму щелочности подающей воды и, следовательно, содержит
во много раз больше щелочности, чем подающая вода, часто необходимо ограничивать щелочность котловой
воды до желаемой концентрации либо путем большей продувки, чем необходимо для других целей, либо
путем поддержания меньшей щелочности подающей воды, чем желательно, либо путем введения кислотного
компонента непосредственно в котел. котловая вода со всеми сопутствующими эксплуатационными
трудностями, или иным способом.
Чрезвычайно важно поддерживать щелочной баланс котловой воды, но концентрация щелочи должна быть
достаточно близка к значению pH выше примерно 10, но не выше примерно 11. Котловая вода должна быть
щелочной до этой степени, поскольку такое состояние наилучшим образом предотвращает любую тенденцию
к растворению или точечному разрушению металла котла, а также обеспечивает наилучшее и наиболее
экономичное использование химического реагента для обработки. Однако она должна как можно меньше
превышать этот предел из-за тенденции повышения щелочности вызывать или усиливать перенос котловой
воды в паре и из-за ее вредного воздействия на металл котла, особенно если она концентрируется в швах или
вокруг заклепок, поскольку из-за своего очищающего или пептизирующего эффекта, или при более высоких
концентрациях, своей способности фактически вызывать растворение металла или защитных пленок,
являющихся его неотъемлемой частью, она может ускорять коррозионную усталость или «охрупчивание», а
следовательно, и разрушение металла котла.
Использование в качестве подпиточной воды природной неочищенной воды или воды, обработанной в
цеолитовом умягчителе, усложняет ситуацию.
Фактически, большинство природных вод содержат бикарбонат, связанный с кальцием и/или магнием и/или
щелочными металлами, такими как натрий. В зоолитовом умягчителе натрий замещает кальций и/или магний,
а в котле бикарбонат натрия разлагается, образуя сначала карбонат натрия, который, в свою очередь, в
значительной степени разлагается на едкий натр.
Таким образом, в котловой воде может развиться огромная щелочность. В то же время значение pH
питательной воды может быть недостаточным для предотвращения коррозии трубопроводов и насосов, если
в нее не добавить щелочь. Если природная вода обрабатывается тринатрийфосфатом, происходит такое же
образование бикарбоната натрия и, наконец, гидроксида натрия в котловой воде, но его использование имеет
преимущество в повышении значения pH питательной воды. Обычно развитие чрезмерной щелочности в
котловой воде происходит в результате предварительной обработки питательной воды, либо цеолитным
процессом, либо известково-содовым процессом, либо прямой обработкой ортофосфатами или карбонатами
щелочных металлов.
Однако существуют природные воды, содержащие 105% бикарбоната щелочных металлов, и если их
использовать в качестве питательной среды для котлов без предварительной обработки, это приведет к
повышению щелочности котловой воды.
Для защиты металла котла от «охрупчивания» при температуре 110°C рекомендуется проводить
профилактическую защиту.
Многие исследователи (например, в «Рекомендуемых правилах по уходу за паровыми котлами», Раздел VII
(1927), Параграф CA-5, Американское общество инженеров-механиков, с редакцией 115, опубликованной в
майском номере журнала «Mechanical Engineering» за 1929 год) утверждают, что содержание сульфата натрия
в котловой воде постоянно влияет на общую щелочность, причем это соотношение является определенным
для любого рабочего давления, но быстро возрастает с увеличением рабочего давления. Таким образом,
если минимальное значение щелочности в котловой воде не обеспечено, поддержание этих соотношений
создает трудности двумя способами, а именно:
1
В котловой воде необходимо поддерживать большое количество сульфата натрия, особенно при более
высоких рабочих давлениях, где это наименее желательно. Таким образом, добавление сульфата натрия в
питательную воду эффективно снижает общую щелочность котловой воды, но мало влияет на поддержание
желаемых значений pH в питательной воде или препятствует этому. Эти трудности могут быть решены путем
добавления кислоты в питательную воду для разрушения ее бикарбоната, удаления растворенного диоксида
углерода удовлетворительными способами и последующего добавления щелочности с помощью щелочного
химического вещества, такого как тринатрийфосфат, в количестве, достаточном для достижения желаемого
значения pH в питательной воде; или путем возврата непрерывной продувки из котла в соответствующей
точке в питательную воду, так что щелочность котловой воды используется для достижения желаемого
значения pH в питательной воде.
(Это практически бесполезно, когда значение pH котловой воды поддерживается в диапазоне от 10 до
приблизительно 10). Эти методы относительно сложны и дорогостоящи, и требуют очень тщательного
контроля.
Таким образом, возникает весьма сложная проблема, связанная с необходимостью поддержания щелочной
среды в питательной воде и одновременного ограничения концентрации щелочности в котловой воде до
уровня, совместимого с безопасными или желательными условиями эксплуатации, а также с непрерывным
поддержанием в котловой воде достаточной концентрации радикала, такого как ортофосфат, для
обеспечения осаждения кальция и/или магния в виде неприлипшего шлама вместо прилипшей накипи.
Растворимость трикальцийфосфата очень мала, и добавление ортофосфатного радикала в питательную воду
очень часто вызывает в ней пересыщение 105 по отношению к трикальцийфосфату. Это пересыщение не
сразу полностью устраняется отделением твердой фазы, а сохраняется, в результате чего твердая фаза
продолжает отделяться вдоль пути питательной воды к котлу, и особенно в местах, стремящихся разрушить
состояние пересыщения, например, там, где температура питательной воды значительно повышается, как в
экономайзере или 115 нагревателе, питаемом паром, отбираемым из одной из ступеней турбины. Отделение
твердой фазы в этих условиях происходит частично, по крайней мере, в виде накипи, прилипшей к
питательным трубопроводам, насосам питательной воды, нагревателям, 120 экономайзерам и т. д., а иногда и
в оборудовании для перегрева.
Решение этих различных трудностей заключается в получении необходимой концентрации фосфатов или
других химических реагентов для кондиционирования котловой воды путем добавления в питательную воду
химических реагентов, соединения кальция которых относительно растворимы и которые либо являются
щелочными, либо сами по себе реагируют при разложении, с одной стороны, вызывая трудности из-за плохих
условий кипения и, как следствие, низкого качества пара, что угрожает непрерывности работы из-за выхода из
строя труб пароперегревателя или повреждения первичных двигателей; или, с другой стороны, требуя
неоправданно большого продувочного потока для устранения этих трудностей. Кроме того, в этих условиях
часто возникает необходимость увеличить содержание сульфата натрия в природной воде путем его
добавления, что приводит к неоправданному увеличению затрат на водоподготовку.
2
Большое количество сульфата натрия в котловой воде значительно увеличивает вероятность образования
накипи и, следовательно, угрожает непрерывности работы.
Поддержание рекомендуемого соотношения сульфата натрия к общей щелочности в котловой воде делает
практически невозможным обеспечение чистоты поверхностей, необходимой в котлах высокого давления или
высокой мощности, независимо от того, состоит ли питательная вода из возвратного конденсата, выпаренной
воды, воды, обработанной известью и содой, или воды, обработанной цеолитом, если в котловой воде
постоянно не поддерживаются концентрации какого-либо стабильного радикала, такого как ортофосфат,
необходимые для определения характера любой образующейся твердой фазы и, таким образом, обеспечения
ее образования в виде неприлипающего осадка. В возвратном конденсате и выпаренной воде кальций
практически всегда присутствует, соответственно, из-за утечек охлаждающей воды и переноса извне.
Даже при максимальной эффективности работы известково-содового умягчителя сточные воды содержат
достаточное количество кальция, так что его накопление в котловой воде в сочетании с сульфатом натрия,
необходимым для защиты от «охрупчивания», приводит к превышению соотношения произведения
растворимости кальция и сульфата при давлении выше примерно 160 фунтов, и, следовательно, к
образованию накипи.
Хотя содержание кальция в воде, полученной с помощью исправно работающего цеолитового умягчителя,
обычно ниже, чем в воде, полученной с помощью известково-содового умягчителя, вероятность образования
накипи снижается, но не исключается полностью, и гарантия предотвращения образования накипи при
использовании цеолитовой умягчительной воды, как и при использовании любой другой, обеспечивается за
счет поддержания необходимых условий в котловой воде.
Наличие стабильного радикала в виде ортофосфата, доступного в растворе в котловой воде, становится
особенно необходимым ввиду более высоких давлений и номинальных параметров, а также желаемой низкой,
строго контролируемой щелочности котловой воды, характерной для современной практики парогенерации.
Использование растворов динатрия или мононатриевого фосфата364,746 в воде не создает трудностей для
поддержания желаемого значения pH в питательной воде, но которые при длительном воздействии более
высокой температуры, например, температуры котловой воды, обеспечивают наличие в ней необходимого
ортофосфата или другого кондиционирующего радикала и одновременно нейтрализуют часть щелочности
котловой воды.
В качестве примера можно привести пирофосфаты и метафосфаты щелочных металлов, которые
соответствуют этим требованиям. Таким образом, если пирофосфат натрия (NaPO) нагревать с водой
при достаточно высокой температуре, происходит следующая реакция:
1) NaPO + H > 2NaPO. Если метафосфат натрия (NaPO) (или его полимеризованная форма)
нагреть таким образом, реакция будет следующей:
2) l Ta PO 3 +H 120 > Na H 2 PO 4 Если по какой-либо причине целесообразно добавление кислоты в
питательную воду, то использование кислых солей пирофосфата щелочных металлов или метафосфорной
или пирофосфорной кислот выгодно как с точки зрения относительно высокой растворимости метафосфата
или пирофосфата кальция, что предотвращает образование отложений в питательной воде, так и с точки
зрения повышенной нейтрализации щелочности, достигаемой в котловой воде за счет превращения этих
веществ в кислые ортофосфаты при температурах котловой воды. Происходящие превращения можно
представить следующим образом:
3)
Na J'2 P 20 O +H 20 > 2 Na H 2 PO 4 4) Hc P 207 +H 20 > 2 H 3 PO 4 5) HPO 3 +H O >,-H 3 P Ot Реакции (2) и (5)
могут протекать в несколько этапов:
6) 2 NaPO + HO -> NaHOHPO + HO > HPO, дальнейшее превращение в ортофосфат
происходит в соответствии с реакциями (3) и (4).
Приведенные выше уравнения показывают, что добавление пирофосфата или метафосфата в
соответствующих количествах в питательную воду приведет к поддержанию желаемого количества
ортофосфатного радикала в котловой воде. Эти реакции ускоряются температурой котловой воды и ее
непрерывным удалением.
образование конечного продукта, а именно ортофосфата, за счет любого поступающего кальция, что сводит к
минимуму установление равновесия в реакции.
Пирофосфорную и метафосфорную кислоты можно получить нагреванием ортофосфорной кислоты. При
нагревании ортофосфорной кислоты (HPO) примерно до...
При подходящей температуре вода испаряется, образуя пирофосфорную кислоту (HPO).
Потеря воды вызывает перегруппировку атомов внутри молекулы кислоты, в результате чего полученная
пирофосфорная кислота обладает меньшей щелоченейтрализующей способностью, чем ортофосфорная
кислота, из которой она была получена. При нагревании до соответствующей более высокой температуры
удаляется больше воды, и пирофосфорная кислота превращается в метафосфорную кислоту (HPO),
которая обладает еще меньшей щелоченейтрализующей способностью, чем пирофосфорная кислота, из
которой она была получена, из-за еще более дальней атомной перегруппировки. Как пирофосфорная, так и
метафосфорная кислоты могут быть нейтрализованы гидроксидом щелочного металла, например,
гидроксидом натрия, с образованием пирофосфата щелочного металла или метафосфата щелочного
металла. Аналогично, при нагревании до соответствующих температур соли ортофосфата кислоты могут быть
превращены в соли пиро- или метафосфата. Термины «пирофосфат» и «ортофосфат» при использовании без
дополнительных уточнений подразумевают пирофосфорную кислоту и метафосфорную кислоту, а также соли
этих кислот, поскольку Пирофосфорную кислоту и метафосфорную кислоту можно рассматривать как
пирофосфат водорода и метафосфат водорода. Аналогично, термин «молекулярно дегидратированный
фосфат» подразумевает как кислоты, так и соли. Водные растворы пирофосфорной кислоты и
метафосфорной кислоты или их солей имеют тенденцию возвращаться в ортофосфатную форму, скорость
возврата зависит от сопутствующих обстоятельств. Возврат происходит относительно медленно при
нормальных комнатных температурах и особенно в разбавленных щелочных растворах. Однако возврат
ускоряется высокой температурой котловой воды и удалением конечного продукта ортофосфата кальцием из
котловой воды. Возврат из мета- или пиро-состояния в орто-состояние происходит относительно медленно в
линиях подачи, где температура ниже, но быстро в котле, где температура выше.
Обратный процесс происходит за счет рекомбинации воды с пиро- или метафосфатом. В результате такой
дегидратации пирофосфат натрия, обладающий щелочной реакцией, превращается в моногидроортофосфат
натрия, водород которого является кислым водородом и, следовательно, способен нейтрализовать
щелочность. Аналогично, метафосфат натрия, раствор которого очень слабокислый, превращается в
дигидроортофосфат натрия, который обладает вдвое большей кислотно-нейтрализующей способностью, чем
моногидроортофосфат натрия. Аналогично, пирофосфорная кислота и метафосфорная кислота могут быть
преобразованы путем регидратации в ортофосфорную кислоту с увеличением щелоченейтрализующей
способности. Соединение 130 364,746 содержит две молекулы фосфата натрия (NaIPO), водород которого
является кислым водородом, и нейтрализует эквивалентное количество щелочности.
Аналогично, молекула метафосфата 70 поставляет одну молекулу мононатрийфосфата (N Ta HI 2 PO 4), два
атома водорода которого являются кислыми, и также нейтрализует эквиваленты щелочности. Аналогично,
использование пиро- или 75 метафосфорной кислоты в качестве химического реагента для
кондиционирования приводит к большей нейтрализации щелочности в котловой воде, чем соответствует
щелоченейтрализующей способности вводимых кислот 80. Наконец, кальциевые соли пирофосфатов и
метафосфатов гораздо более растворимы, чем трикальцийфосфат, и, следовательно, условия пересыщения,
которые так легко возникают при 85 добавлении ортофосфата в питательную воду, не возникают вовсе или
возникают в гораздо меньшей степени при добавлении пирофосфатов или метафосфатов, что
предотвращает или минимизирует тенденцию к образованию накипи в 90 трубопроводах питательной воды и
подогревателях.
Растворимость кальциевых солей пирофосфатов и метафосфатов достаточно высока, поэтому их отложение
в подогревателях питательной воды или трубопроводах питательной воды маловероятно, если только в них
не произойдет значительное превращение пирофосфата или метафосфата в ортофосфат. Это превращение
представляет собой реакцию, происходящую в нагретых щелочных растворах пирофосфатов и
метафосфатов. Таким образом, если система включает экономайзер, существует тенденция к образованию в
нем некоторой накипи из-за превращения пирофосфатов или метафосфатов кальция в ортофосфат кальция,
который труднорастворим и может выпадать в осадок из пересыщенного раствора на стенках экономайзера
или трубопроводах воды от экономайзера к котлу.
Если наблюдается тенденция к образованию пересыщенного раствора ортофосфата кальция, ей можно
противодействовать добавлением в подаваемую воду 115 одного или двух фунтов на миллион фунтов
подаваемой воды экстракта кутча, квебрахо или аналогичного дубильного вещества. Эти дубильные
вещества, по-видимому, выполняют двойную функцию: замедляют скорость транс-образования пирофосфата
или метафосфата в ортофосфат и стабилизируют пересыщенный раствор ортофосфата, тем самым
препятствуя отложению накипи в водонагревателях и трубопроводах 125.
В качестве ингибиторов для предотвращения образования накипи в водонагревателе и трубопроводах могут
использоваться и другие вещества, помимо дубильных веществ. К другим ингибиторам относится, например,
130-процентная версия, которая в более кислой среде может вызывать так называемую молекулярную
регидратацию, при которой вода вступает в химическое соединение с метафосфатным или пирофосфатным
радикалом, вызывая перестройку атомов молекулы, в отличие от поглощения кристаллизационной воды
твердой фазой, которое не приводит к перестройке атомных связей внутри молекулы; и в отличие от
гидролиза соли, растворенной в воде, например, квасцов щелочного металла или хлорида висмута,
растворенных в воде.
Пиро- и мета-соли и кислоты можно рассматривать как молекулярно дегидратированные формы орто-солей и
кислот, поскольку дегидратация вызывает перестройку атомов внутри молекулы фосфата, в отличие от так
называемой дегидратации ортофосфатов путем нагревания лишь для удаления кристаллизационной воды
или реакций двойного разложения, характерных для гидролиза. Поэтому для удобства используется
выражение «молекулярно дегидратированный», чтобы выделить пиро- и мета-соли и кислоты в отдельный
класс, а также орто-соли и кислоты. Таким образом, например, под выражением «молекулярно
дегидратированный фосфат» подразумевается пиро- или мета-фосфат, в отличие от ортофосфата, из
которого удалена лишь кристаллизационная вода и который иногда называют «дегидратированной» или
«безводной» солью, а под «молекулярно дегидратированным фосфатным радикалом» подразумевается
пирофосфатный радикал (P 2O7) или метафосфатный радикал (P O3), один из которых образуется в
результате молекулярной дегидратации или удаления воды из ортофосфатной кислоты или солей кислоты.
Выражение «фосфат», используемое отдельно в пунктах формулы изобретения, подразумевает общее
определение, а не ограничение, и включает ортофосфат, пирофосфат и метафосфат, если только один из
этих типов фосфата не указан специально.
Аналогичным образом, выражение «арсенат» подразумевает ортоарсенат, пироарсенат и метаарсенат, если
только один из этих типов арсената не указан специально.
Нормальные соли пирофосфатов щелочных металлов при растворении дают значение pH выше, чем у чистой
воды, а метафосфаты — значение pH, практически такое же или немного меньше, чем у чистой воды. И все
же, как показывают приведенные выше реакции, их добавление в питательную воду приводит не к
увеличению, а к уменьшению щелочности котловой воды, поскольку при превращении в ортофосфат моль
пирофосфата 364,746 цифратов, цитрата натрия, лактатов, галлатов, альгинатов и этилена эти ингибиторы
представляют собой, как правило, органические вещества, имеющие большие молекулы, которые,
по-видимому, замедляют скорость превращения пирофосфата и метафосфата в ортофосфат и служат для
стабилизации пересыщенного раствора ортофосфата кальция.
Как описано выше, когда пирофосфаты или метафосфаты попадают в котел с питательной водой и
подвергаются там воздействию высокой температуры котловой воды, пирофосфаты и метафосфаты
превращаются в кислые ортофосфаты, образуя не только кислый водород для нейтрализации избыточной
щелочности в котловой воде, но и ортофосфатный радикал, который служит для поддержания необходимого
равновесия в котловой воде и предотвращения образования накипи.
В частности, при обработке фосфатами котловой воды, содержащей кальций и сульфаты, для
предотвращения образования накипи необходимо поддерживать в воде котла концентрацию
ортофосфат-иона не менее концентрации сульфат-иона в степени три-половины, умноженной на отношение
произведения растворимости фосфата кальция в степени одна-половина к произведению растворимости
сульфата кальция в степени три-половины при температуре воды в котле, а также соответствующую
концентрацию гидроксида.
При поддержании таких условий кальций осаждается в виде трикальцийфосфата, представляющего собой
неприлипающий осадок, который можно удалить продувкой, вместо сульфата кальция, образующего
прилипшую ангидритную накипь. Другими словами, в воде котла поддерживается достаточная концентрация
ортофосфата, чтобы обеспечить осаждение кальция в виде неприлипающего трикальцийфосфата вместо
сульфатной накипи.
Необходимое количество пирофосфата или метафосфата для образования в котловой воде требуемого
количества доступного ортофосфатного радикала, обеспечивающего осаждение кальция и/или магния в виде
неприлипшего шлама вместо прилипшей накипи, можно легко определить путем анализа котловой воды на
содержание фосфатов и сульфатов.
В качестве примера использования этих химических реагентов для кондиционирования рассмотрим воду,
содержащую 0,6 эквивалента на миллион (30 частей на миллион) временной жесткости и 0,2 эквивалента на
миллион (10 частей на миллион) постоянной жесткости, выраженные в единицах CaCO. Концентрация
сульфатов в воде составляет 12 частей на миллион. Пусть подпитка принимается за 100 °C, продувка — за 2
%, рабочее давление — за 400 фунтов. Никакой предварительной обработки воды, кроме возможной
фильтрации для осветления, не проводится. В этих условиях достаточно 50 частей на миллион доступного
PO в растворе в котловой воде.
Для полной обработки этой воды метафосфатом натрия, растворенным в подходящем количестве воды и
подаваемым непосредственно в водонагреватель или другую удобную точку, требуется приблизительно 28,3
фунта безводного метафосфата на миллион фунтов подаваемой воды. Для того чтобы значение pH
подаваемой воды соответствовало требуемому значению в точке контроля, предотвращающей коррозию, к
28,3 фунтам метафосфата можно добавить 0,4 фунта каустической соды.
Растворимость кальциевой соли 85-метафосфата достаточно высока, поэтому его отложение в
водонагревателе и трубопроводах подачи питательной воды маловероятно, если только в них не произойдет
значительное превращение метафосфата в ортофосфат 90.
Но если система включает экономайзер и в ней наблюдается тенденция к образованию накипи, то
одновременное введение метафосфата в количестве 95% (один или два фунта на миллион фунтов
питательной воды) из танинного вещества, такого как Cutch, Quebracho extra или аналогичного, стабилизирует
пересыщенное состояние и замедлит скорость превращения метафосфата в ортофосфат, так что отложение
накипи не произойдет.
В котловой воде при продувке -f 2 % концентрация сульфатов составляет 600 частей на миллион. Щелочность
котловой воды, если добавление метафосфата не снизит её, составит 30,5 эквивалентов на миллион (1617
частей на миллион).
(выражено в пересчете на карбонат натрия). Но метафосфат, превращаясь в ортофосфат, приобретает 27,75
эквивалентов на миллион кислотности (достаточно для нейтрализации 1470 п/м щелочности карбоната
натрия). Таким образом, котловая вода фактически содержит 2,75 экв/м щелочности, что соответствует 147
п/м общей щелочности, рассчитанной как карбонат натрия.
Концентрация сульфата 600 п./м соответствует 888 п./м сульфата натрия. Соотношение сульфата натрия к
общей щелочности составляет 120 в пересчете на карбонат натрия, что значительно выше рекомендованного
или предложенного в Кодексе котлов АСНЕ в качестве защитного фактора от повреждений, вызванных
«охрупчиванием».
Этот пример подчеркивает тот факт, что простейшая и наилучшая защита от опасности разрушения металла
котла достигается путем поддержания в котловой воде только тщательно определенных минимальных
уровней щелочности, необходимых для обработки химическими веществами, которые приводят к избыточной
щелочности в обрабатываемой воде. Благодаря очень тщательному подбору дозировки обрабатывающих
химикатов щелочность можно поддерживать на низком уровне, но для повышения эффективности процесса
выгодно использовать достаточный избыток обрабатывающих химикатов, которые приведут к нежелательно
высокой щелочности воды, если она будет подаваться в котел без частичной нейтрализации. Поэтому
использование метафосфатов или пирофосфатов может быть особенно выгодно в качестве вторичной
обработки после первичной обработки кальцинированной известью, поскольку обработка кальцинированной
известью может быть сделана более эффективной, а повышенная щелочность, которая привела бы к
слишком высокой щелочности в котле, может быть устранена. В этом процессе нейтрализуется кислый
водород, образующийся в результате регидратации метафосфата или пирофосфата в котле; и это
достигается без разрушения желаемых свойств щелочности, образующихся в результате обработки известью
и кальцинированной содой, предотвращающих коррозию трубопроводов подачи. При непрерывном
добавлении метафосфата или пирофосфата в соответствующей пропорции к питательной воде в котловой
воде поддерживается относительно стабильная концентрация щелочности; однако можно сказать, что
щелочность котловой воды снижается при таком добавлении метафосфата или пирофосфата в том смысле,
что регидратация метафосфата или пирофосфата постоянно обеспечивает кислый водород, который
нейтрализует щелочность, которая в противном случае концентрировалась бы в котловой воде.
Вторичная обработка метафосфатом или пирофосфатом также обеспечивает частичное удаление кальция,
образующегося в результате обработки известью и кальцинированной содой, и осаждает ту часть кальция,
которая проходит через обработку известью и кальцинированной содой и попадает в котел, в виде
неприлипшего ортофосфатного шлама 110 в котле, тем самым предотвращая образование накипи из-за
остаточного кальция после обработки известью и кальцинированной содой.
Обработка сырой воды цеолитом, хотя и удаляет из нее большую часть кальция 115 и магния, тем не менее
оставляет в ней бикарбонат в виде бикарбоната натрия, который в котловой воде в значительной степени
превращается в каустическую соду. Таким образом, использование химических реагентов для обработки, как
описано здесь, эффективно дополняет обработку цеолитом и устраняет один из ее особых недостатков, а
именно, концентрацию щелочности в котле из-за бикарбонатной воды, обработанной цеолитом 125.
Кислотный водород, выделяющийся при регидратации метафосфата или пирофосфата, противодействует
этой тенденции к концентрации щелочности в воде и одновременно снижает коррозию и экономическую
эффективность химического реагента для обработки.
В случае предварительной обработки цеолитом или прямой обработки тринатрийфосфатом, невозможность
поддержания желаемого соотношения сульфата натрия и щелочности без нейтрализации значительной части
щелочности, образующейся в котловой воде, очевидна из того факта, что без такой нейтрализации сульфат
натрия пришлось бы добавлять в питательную воду в достаточном количестве, чтобы получить 0,014 х 400 х
30 х 53 = 8904 частей на миллион сульфата натрия в котловой воде. При такой концентрации щелочи и
сульфата натрия в котловой воде сомнительно, что все возможные меры предосторожности будут
эффективны для предотвращения переноса котловой воды с паром при номинальных значениях, характерных
для современной практики.
Щелочность котловой воды может быть легко снижена еще больше. Таким образом, если на миллион фунтов
питательной воды используется 29 фунтов метафосфата натрия, щелочность котловой воды составит 2 1
эквивалента на миллион, или 1 11 частей на миллион карбоната натрия. Концентрация доступного
ортофосфатного радикала тогда составит 84 пф.м.
Если требуется меньшая нейтрализующая способность по отношению к щелочам в котловой воде, вместо
метафосфата щелочного металла можно использовать пирофосфат щелочного металла или увеличить
количество каустической соды или другого щелочного химического вещества; если требуется большая
нейтрализующая способность по отношению к щелочам, можно использовать метафосфорную кислоту или ее
смесь с метафосфатом щелочного металла.
В целом, для котельной предпочтительно поддерживать запас фосфата для обработки в одной форме,
например, в виде метафосфата натрия. Метафосфат натрия в растворе имеет очень слабую кислотность.
Если исходная вода несколько щелочная или если вода после первичной обработки имеет достаточную
щелочность, метафосфат натрия можно использовать отдельно для вторичной обработки. С другой стороны,
если использование одного только метафосфата натрия приведет к слишком высокой кислотности, ее можно
смягчить добавлением соответствующего количества какого-либо щелочного реагента, например,
каустической соды.
Хотя в приведенном выше конкретном примере обработка была описана как применяемая к природной воде,
она может с особым успехом применяться к питательной воде для котлов, которая уже прошла первичную
обработку, такую как обычная обработка известью и кальцинированной содой, обработка цеолитом и т. д.
Для наиболее эффективного проведения известково-содового процесса, при некотором превышении времени
обработки (364 746 раз), ортофосфат, образующийся в процессе регидратации, компенсирует остаточный
кальций, не удаленный при обработке цеолитом.
Еще одно преимущество достигается при использовании метафосфатов или пирофосфатов для обработки
котловой воды благодаря относительно высокой растворимости их солей щелочноземельных металлов.
Таким образом, при их использовании для обработки воды для котлов локомотивов, добавление их в
придорожный бак или в тендер локомотива не приводит к осаждению осадка, с предварительной обработкой
или без нее, например, известково-содовым методом или цеолитом, и, следовательно, предотвращает
загрязнение клапанов и подводящих трубопроводов. В нагретой котловой воде происходит регидратация
мета- или пирофосфата до ортофосфата, что обеспечивает необходимые условия для предотвращения
образования накипи и одновременно упрощает контроль концентрации щелочности в котловой воде. Таким
образом, их использование как непосредственно, так и в сочетании с предварительной обработкой любым из
процессов умягчения воды, сочетает в себе все преимущества прозрачности питательной воды с полной
подготовкой котловой воды.
Таким образом, использование материалов, приобретающих щелоченейтрализующие свойства в результате
превращений, происходящих в котловой воде, чрезвычайно выгодно, поскольку позволяет легко
поддерживать желаемый низкий уровень щелочности котловой воды, не создавая трудностей, связанных с
коррозией подающих трубопроводов или образованием отложений в них.
В качестве краткого обзора преимуществ, получаемых при подготовке воды для котлов за счет использования
химических реагентов, которые претерпевают желаемые преобразования в котловой воде, как уже было
описано, можно перечислить, среди прочего:
1) Устранение или минимизация отложений в подающих трубопроводах, экономайзерах, нагревателях,
оборудовании для перегрева топлива и т. д., а также в баках со стороны борта паровоза или тендерах
локомотивов.
2) Возможность поддержания желаемых значений pl I в питательной воде для предотвращения коррозии без
накопления щелочности в котловой воде сверх допустимых значений.
3) В большинстве случаев полное исключение дорогостоящих методов прямой подачи кислоты в питательную
или котловую воду и связанной с этим высокой точностью контроля позволяет поддерживать желаемую
концентрацию щелочности в котловой воде. Однако, если нейтрализуемая щелочность настолько высока, что
необходимо использовать кислоту, то применение такой кислоты, как метафосфорная, позволяет достичь
очень низкой концентрации в питательной воде, поскольку превращение в котловой воде увеличивает
кислотность в три раза в случае метафосфорной кислоты. Это является большим преимуществом.
4)
Поддержание котлов без накипи и одновременно обеспечение определенной слабой щелочности котловой
воды, что крайне важно в современной практике парогенерации. 70 Это необходимо, потому что а) это
минимизирует любую склонность котловой воды к пенообразованию и, следовательно, опасность попадания
накипи в пар.
б) Это упрощает поддержание соотношения сульфата натрия и щелочности, которое, как правило, считается
предотвращающим «охрупчивание», и, таким образом, в значительной степени или полностью исключает
добавление сульфата натрия сверх того количества, которое содержится в природной воде.
c) Это требует минимальной продувки котла.
Хотя предпочтительно использовать пирофосфаты и метафосфаты щелочных металлов (таких как натрий
или калий) или соответствующие кислоты или кислые соли, как указано выше, изобретение не ограничивается
этим, поскольку могут использоваться и другие химические вещества, такие как пиро- и метафосфаты
щелочных металлов, пиро- и метарсенаты, пиро- и метарсениты или их кислоты, или другие вещества,
обладающие одним или обоими из указанных здесь особых преимуществ, в частности, свойством снижать
щелочность котловой воды посредством осуществляемых в ней превращений, не влияя при этом на
желаемые значения pH питательной воды, а иногда и способствуя их поддержанию; и свойством
образовывать относительно растворимые соединения с кальцием и магнием до превращения, но очень
нерастворимые соединения после него.
Соседние файлы в папке патенты