Спосіб визначення складу водного теплоносія

Реферат: Спосіб визначення складу водного теплоносія, що включає визначення зміни рН у пробі води до та після термостатування за даної температури, причому визначають зміну фактичної твердості водного розчину після термостатування. UA 68398 U (12) UA 68398 U UA 68398 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до сфери визначення можливості утворення карбонату кальцію у водних розчинах, що нагріваються без контакту з повітрям, тобто в циркуляційній воді охолоджувальних систем (до 90 °C) і систем теплопостачання (до 190 °C). У циркуляційній воді систем теплопостачання та охолоджувальних систем можливо утворення карбонату кальцію та його осаду при нагріванні води, оскільки розчинність СаСО 3 зменшується з ростом температури. Запропонований метод дозволяє визначити мінімально необхідний рівень обробки води методами, що зменшують твердість та/або лужність води (обробка на освітлювачах з вапнуванням, підкислення води з подальшим видаленням СО 2, пом'якшення на Na-катіонитових фільтрах, часткове знесолення на зворотно-осмотичних мембранах, дозування комплексонів). Відомий розрахунковий спосіб, що пропонує визначати склад води (кальцієву твердість та/або загальну лужність з врахуванням значення рН) з використанням добутку розчинності та другої константи дисоціації карбонатної кислоти, описаний у статті (Концевой А.Л. Нормирование основных показателей качества сетевой воды / Концевой А.Л., Концевой C.А. // Энергетика и электрификация.-2005. - № 8. - С. 6-9), що в цілому відповідає використанню індексу Ланжельє. Недоліком цього методу є неможливість врахування кількості карбонатних іонів, що утворилися при розкладанні гідрокарбонатних іонів (ГКІ) в процесі нагрівання, та відсутність експериментальних даних про значення константи дисоціації за температури більше 90 °C. Найбільш близьким до запропонованого способу є спосіб визначення потенціалу карбонатного накипоутворення у водних розчинах, описаний у статті (Концевой С.А. Експериментальне визначення потенціалу карбонатного накипоутворення / Концевой С.А., Астрелін І.М., Позднякова H.B. // Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету (технічні науки). Тематичний випуск "Сучасні проблеми технології неорганічних речовин". - Дніпродзержинськ: ДДТУ.-2008.-С. 7-10), у якій запропонована лабораторна методика з визначення механізму розкладання ГКІ (за значенням зміни рН розчину до та після термостатування проби води) у температурному діапазоні 40-190 °C та, як наслідок, кількості карбонатних іонів, що утворилися за Н-механізмом розкладання ГКІ: + 2НСО3 →Н +СО3 . Суттєвим недоліком даного методу є відсутність критерію для визначення допустимої зміни рН, за якого у воді не утворюється карбонат кальцію. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити спосіб визначення потенціалу карбонатного накипоутворення (ПКН) у водних розчинах шляхом визначення зміни твердості розчину (Тв) для визначення допустимої зміни рН (pHadm), за якої у розчині не утворюється СаСО3 (Тв дорівнює нулю). Твердість визначається комплекснометричним титруванням (з Трилоном Б). Поставлена задача вирішується тим, що в пропонованому способі, що включає визначення зміни рН у пробі води до та після термостатування за даної температури, новим є те, що визначається допустима зміна рН, за якої фактична твердість водного розчину після термостатування не зменшується. Фактична твердість (ФТв) водного розчину попередньо визначається, оскільки частина іонів кальцію та магнію може бути у складі комплексів, які розкладаються в процесі нагрівання води. ФТв визначається як твердість після термостатування проби води без контакту з повітрям (у реакторі) за температури близько 60 °C та охолодження до температури 20 °C. Не утворення карбонату кальцію у воді, що нагрівається, гарантує не утворення його осаду в об'ємі води та, як наслідок, на поверхні теплообмінного обладнання. Пропонований спосіб реалізують наступним чином: проба води певного складу термостатується за температури 20 °C протягом 15 хв. Потім визначають початкове значення рН (рН1) та Тв проби води (Тв1) і заливають у 2 або 3 реактори з нержавіючої сталі (це 3 попереджує зміну рН води внаслідок кисневої корозії) об'ємом 150 см , в яких вода не контактує з повітрям. Герметичні реактори розміщують в термостаті (до 90 °C) або автоклаві (до 190 °C) та термостатують 30 хвилин (відповідає середній тривалості нагрівання води у теплообмінному обладнанні) за температури (40÷190)°С. Реактори виймають, охолоджують та термостатують у закритому стані за температури 20 °C протягом 15 хвилин, потім вимірюють значення рН (рН 2) та Тв (Тв2). Термостатування проб за сталої температури (20 °C) до і після основного термостатування дозволяє виключити вплив температури на дослідно-цільову зміну рН води. Експериментальний ПКН (pHt) визначають як: pHt=рН1-рН2сер, де індекс t - задана температура основного термостатування; рН2сер - середнє значення рН2. Зміну твердості визначають як: 1 UA 68398 U 5 Тв=Твфакт-Тв2, де Твфакт - фактична твердість; Тв2 - твердість після термостатування за даної температури. У таблиці 1 представлено експериментальні дані для визначення pHadm - допустимої (admissible) зміни рН, за якої у воді переважно відбувається розкладання гідрокарбонатних іонів 2за ОН-механізмом, а за Н-механізмом - на рівні утворення такої кількості іонів СО 3 , яка не призводить до утворення СаСО3, і це не фіксується комплексонометричним титруванням за зміною твердості. Досліджувались суміші водопровідної та пом'якшеної води (є органічні комплекси з іонами кальцію та магнію) з варіюванням твердості вихідної води від 0 до 5,1 3 3 ммоль/дм (лужність - 3,6 ммоль/дм ). 10 Таблиця 1 Визначення допустимого pHadm та Tвadm за температури 150 °C № 20 25 30 35 рН, 1 1 2 3 4 5 15 DNa-kat 2 0 0,25 0,50 0,75 1 3 7,48 7,60 7,51 7,50 7,61 Тв1, 3 ммоль/дм 4 5,10 3,80 2,55 1,28 0 рН2сер 5 6,99 7,36 7,47 7,64 8,40 Тв2, 3 ммоль/дм 6 4,4 3,6 2,6 1,8 0,6 pHt Твекс 7 0,49 0,24 0,04 -0,14 -0,79 8 0,7 0,2 -0,05 -0,52 -0,6 ТВекс Твроз 10 0,7 0,35 0,25 -0,07 0 Твроз 9 0 -0,15 -0,3 -0,45 -0,6 Результати дослідів (табл. 1) дозволяють визначити допустиме значення pHadm, за якого не 2+ зменшується твердість з урахуванням розкладання органічних комплексів з іонами Са , та відповідне максимально допустиме значення твердості (Tвadm). Суттєво, що зміна твердості у стовпці 9 розрахована відповідно до частки пом'якшеної води (DNa-kat - 2 стовпець) за умови не утворення СаСО3: Твроз=TвNa-kat·DNa-kat, де TвNa-kat - збільшення твердості (8 стовпець) у 5 досліді (100 % пом'якшеної води). Дані у стовпці 10 дозволяють визначити умови, за яких твердість дійсно не зменшується 3 (від'ємні значення) - дослід 4 (Tвadm=1,28 ммоль/дм ). У досліді 3 це значення додатне проти від'ємного значення у 8 стовпці, що вказує на фактичне зменшення всієї вихідної твердості. Апроксимація залежності (Tвeкc-Tвpoз)=f(pHt) дозволяє визначити значення pHadm=-0,10, за якого (Твекс-Твроз)=0. Таким чином, умовою не утворення кальцію карбонату в кількості, що не визначається за зміною твердості, є значення рН менше (більш від'ємне) pHadm. Значення pHadm залежить від температури (більш від'ємне зі збільшенням температури), від режиму охолодження (автоклави - більш від'ємні, термостати - більш додатні), від лужності та значення рН1. Визначення pHadm для розчинів, в яких вихідна твердість дорівнює фактичній (комплекси з іонами кальцію відсутні) здійснюють за умови Твекс=0. На визначенні pHadm базується методика визначення необхідної концентрації комплексоутворювача, за якої експериментальне значення pHt буде не більше pHadm. Наприклад, досліджено вплив концентрації Трилону Б (30, 50 та 100 % від його стехіометричної 3 до твердості кількості) у вихідній воді (в.в.), лужність якої 4,6 ммоль/дм , кальцієва твердість 3 3 3,5 ммоль/дм , а загальна твердість - 5,1 ммоль/дм (табл. 2). Ефект підкислення компенсували додаванням розчину NaOH. Таблиця 2 Вплив Трилону Б на ПКН води за температури 150 °C Модель води в.в.+ТрБ (100 %) в.в.+ТрБ (50 %) в.в.+ТрБ (30 %) рН, 7,52 7,53 7,51 Тв1, ммоль/дм 0 2,55 3,6 3 рН2сер 8,88 7,95 7,73 2 Тв2, ммоль/дм 1,0 2,7 3,6 3 pHt -1,36 -0,42 -0,22 Тв -1,0 -0,15 0 UA 68398 U 5 Згідно з отриманими результатами концентрацію Трилону Б достатньо підтримувати на рівні не вище 30 % від його стехіометричної кількості, оскільки експериментальний ПКН pHt=-0,22 менше pHadm=-0,10. Таким чином, спосіб визначення складу водного теплоносія, за якого попереджається утворення кальцію карбонату, дозволяє визначити мінімально необхідний ступінь обробки води (з мінімальною собівартістю), яка попереджує карбонатне накипоутворення. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 Спосіб визначення складу водного теплоносія, що включає визначення зміни рН у пробі води до та після термостатування за даної температури, який відрізняється тим, що визначають зміну фактичної твердості водного розчину після термостатування. Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3