Сравнительные исследования эффективности ингибиторов солеотложения

АННОТАЦИЯ

В статье изучена реакция конденсации карбамида с уксусным альдегидом, установлено, что при определенных условиях (температура 20-25 ^oС, 60 - 80 %-ный водный раствор альдегида в соотношении альдегид:карбамид=2:1, рН 4¸6, время реакции 6 - 8 часов) образуется продукт линейной структуры.

Выбраны и сравнены ингибиторы выпадения солевого осадка трех видов: Komperex-710, оксиэтилидендифосфоновая кислота (ОЭДФ) и композиция, приготовленная на основе ОЭДФ, акриловой эмульсии (производства АО "Навоиазот") и продукта конденсации карбамида с уксусным альдегидом. Установлено, что из трёх видов композиция является высокоэффективным ингибитором солеотложения, и при определенных температурах и оптимальных дозах увеличивает эксплуатационные свойства эталонных промышленных ингибиторов.

ABSTRACT

The article studied the reaction of condensation of urea with acetic aldehyde, it was found that under certain conditions (temperature 20-25 °C, 60 - 80 % aqueous solution of aldehyde, the ratio of aldehyde: urea = 2: 1, pH 4-6, reaction time 6 - 8 hours) a product of a linear structure is formed.

Three types of salt precipitation inhibitors were selected and compared: Komperex-710, hydroxyethylidene diphosphonic acid and a composition prepared on the basis of HEDP, an acrylic emulsion (manufactured by Navoiazot JSC) and a urea condensate with acetic aldehyde. It was found that the composition is a highly effective inhibitor of scaling, at certain temperatures and optimal doses it increases the performance properties of standard industrial inhibitors.

Ключевые слова: карбамид, уксусный альдегид, Komperex-710, ОЭДФ, ингибиторы выпадения солевого осадка.

Keywords: carbamide, acetic aldehyde, Komperex-710, HEDP, salt precipitation inhibitors.

Известно, что растворенные в воде вещества вызывают те или иные неполадки в работах теплосетях и энергетического оборудования. В основном это связано с образованием в тепловых агрегатах накипных отложений, состоящих из солей кальция и магния, содержащихся в подпиточной воде.

Борьба с выпадением солевого осадка - основная задача, решаемая в процессе водоподготовки на различных энергообъектах, так как загрязнение поверхностей теплообменного оборудования отложениями минеральных солей приводит к снижению эффективности работы оборудования, а зачастую и выходу его из строя [1 с.43].

В настоящее время на мировой рынок большое число ингибиторов солеотложения выпускают под различными торговыми наименованиями. Основными производителями являются фирмы: в США  «Monsanto Co» (реагент Деквест), «Nalco» (реагент Виско), «Petrolite Corp.» (реагент  SP), в Германии «Joh A. Benekiser» (реагент Komperex-710), Швейцарская фирма «Esso» (реагент Корексит), Российскими компаниями продукты «Оптион-313», «Эктоскейл-450».

Во многих случаях, в качестве основных компонентов промышленных ингибиторов выпадения осадка применяются комплексоны - производные фосфоновых кислот и их цинковые соли - нитрилотриметиленфосфоновая кислота (НТФ) [2 с.16], (ОДЭФ) [3], полиалкиленполиаминополиоксиметилен-фосфоновая кислота (ПАФ-13) [4 с. 82], 2-окси-1,3-диаминопропан-N,N,N′N′-тетраметиленфосфоновая кислота (ДПФ-1) или водорастворимые полимеры - полиакриламид (ПАА), гидролизованный полиакрилонитрил [5 с.67], сополимер малеинового ангидрида с N-алкил-N-виниламидами или N-виниллактамами [6 с.4] и др.

При этом для предотвращения солеотложений с вышеуказанными реагентами в компо­зициях используют добавки: этаноламины [7 с.22], аскорбиновая кислота [8 с.139], эфир акриловой кислоты, полифосфаты и бензтриазол [9], карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) [10 с.25] и др.

Потребность только Навоинского горно-металлургического комбината в ингибиторах солеотложения составляет 140 тыс. тонн в год. Данное предприятие в настоящее время покупает и использует ингибитор отложения минеральных солей под названием Komperex-710 поставщиком которого является Германия.

В связи с отсутствием сырья и возможностей производства вышеупомянутых реагентов солевого осадка, а также с целью уменьшения объёма и импортируемой продукции исследование было направлено на повышение эффективности и получению дешевых композиции с добавлением реагентов и вторичных продуктов производств химической промышленности республики к импортируемым ингибиторам.

Сравнительные испытания образцов проводились на двух типах технологических растворов, отличающихся высокой щелочностью (рН 10,0), содержащие роданидов, карбонатов и ионов металлов - Au, Ca, K, Cu. Эффективность солеотложения определяли стандартными методами [11 с.52], при интервале температур 60 – 80 °C и концентрациях 2, 4, 6 мг/л.

Для анализа подобраны три типа ингибиторов: эталонный ингибитор Komperex-710, оксиэтилидендифосфоновая кислота (ОДЭФ) и композиция при-готовленная на основе ОЭДФ, акриловой эмульсии (производства АО "Навои-азот") и продукта конденсации карбамида с уксусным альдегидом линейной структуры, в соотношениях 29 : 1 : 70 % (условное название - UAK-1).

Продукт конденсации карбамида с уксусным альдегидом был получен в стационарных условиях при температурах 15-20 ^oС. Реакцию проводили с чистым уксусным альдегидом и 60 - 80 %-ным водным раствором при соотношении альдегид : карбамид = 2 : 1 и рН=4 ¸ 6. Время реакции 6 - 8 часов. Выход количественный, продуктов реакции представляет собой однородную маслоподобную жидкость со слабым запахом. Реакция идёт по схеме:

Оксиэтиловые группы в кислотной среде реагируют с выделением воды и образованием олигомера линейной структуры:

При определении состава и строение продуктов конденсации использовали ИК - спектроскопию и элементный анализ.

В ИК - спектре продукта имеются валентные колебания для C – H связи в области 2875  и 1450 см^–1; интенсивные пики поглощения в областях 1640 - 1511 см^–1 относящейся деформационным колебаниям для N – H и валентным колебаниям N – C = O для амидных групп; полоса поглощения в области 2960 см^–1 относящейся для валентного колебания N – C - связи аминных групп, деформационные полосы поглощения в областях 3350 см^–1 для О – Н связи первичных спиртов.

Рисунок 1. ИК - спектр продукта конденсации мочевины с ацетальдегидом

Необходимо отметить, что в тeчeниe вceгo пepиoдa лaбopaтopных иcпытaний нaблюдaeтcя высокая эффективность промышленного ингибитора выпадения солевого осадка Komperex-710. Мaкcимaльнaя эффективность aнтинaкипнoгo действия препарата при температуре 80°C, минимальных дозах 2 мг/л составляет 90,0 %, а при дозировке 4 мг/л - 96,0 %.

Рисунок 2. Эффективность ОЭДФ в зависимости от температуры

При испытании ОЭДФ (рис. 2) установлено, что эффективность ингибирования выпадения солевого осадка, с увеличением дозы препарата возрастает, но с повышением температуры эффективность уменьшается, достигая максимальном дозировке 6 мг/л (ПДК - ОЭДФ) при температуре 60 °C – 91,0 %, 70 °C – 89,0 % и 80 °C – 86,0 %.

Как отмечалось выше, также сравнена эффективность ингибирования выпадения солевого осадка, многокомпонентной смеси UAK-1.

Рисунок 3. Эффективность UAK-1 в зависимости от температуры

Как видно из данных рис. 3 эффективность UAK-1 повышается c увеличением дозы и при 6 г/т обеспечивает высокую защиту: при температуре 60 °C – 98,0 %, 70 °C – 95,0 % и при 80 °C – 94,0 %.

При использовании данного композиционного препарата в интервале температур воды в 60 - 80 °C ингибирующий эффект по предотвращению выпадения солевого осадка можно считать нормативным. Это можно объяснить тем, что препарат образует устойчивые комплексы практически со всеми катионами, включая катионы щелочных - щелочноземельных металлов, имеющихся в составе испытуемой воды и оказались весьма эффективными для ингибирования выпадения солевых отложений малорастворимых соединений, как карбонаты, сульфаты и фосфаты кальция.

Из вышеуказанного следует, что заменяя промышленный эталонный Komperex-710 предлагаемым композиционным составом UAK-1, состоящего из 29 % ОЭДФ + 1 % акриловой эмульсии + 70 % продукта конденсации карбамида с уксусным альдегидом (многотоннажные продукты местного производства АО "Навоиазот"), синергетический эффект которого доказана экспериментальными данными, в качестве ингибиторов выпадения солевого осадка, можно несколько раз уменьшить себестоимость данного препарата.

Список литературы:
1. Ковалева Н.Е., Рудакова Г.Я. Теория и практика применения комплексонов для обработки воды // журн. "Новости теплоснабжения", № 8, (24), август, 2002. – С.43-45.
2. Чаусов Ф.Ф. Сравнительные испытания фосфонатоцинкатных ингибито-ров солеотложений и коррозии // Сантехника. Отопление. Канденсирование. № 5. 2008. – С.16-25.
3. Пат. РФ. 107048. Степанова А.Г., Андрева И.Р., Тарасов С.Р., Филиппов В.М., Иванов В.А. Способ получения водного раствора динатриевой или дикалиевой соли оксиэтилиденфосфоната цинка с концентрацией 15-23 %. Заявл. 06.03.2006. Опубл. 27.08.2007.
4. Перекупка А.Г., Елизарова Ю.С. Эффективность и перспективы применения многокомпонентных смесей ингибиторов солеотложения // Нефтя-ное хозяйство. – М.: 2003. – С. 82-84.
5. Методические рекомендации по применению антинакипинов и ингибиторов коррозии ОЭДФ, АФОН 200-60А, АФОН 230-23А, ПАФ-13А, ИОМС-1 и их аналогов, проверенных и сертифицированных в РАО «ЕЭС России», на энергопредприятиях. СО 34.37.536-2004. – 67 с.
6. Кижняев В.Н., Астахов М.Б., Бирюкова Е.И.. Влияние межмолекуляр-ного взаимодействия мономеров на сополимеризацию 1-винилбензимидазола с малеиновой кислотой // Высокомолекуляр. соединения. Сер. Б. - 1992. - Т. 34, № 10. – С. 4-18.
7. Wu Yufeng, Tang Tongqing et al // Gongye Shuichli. 1999. V. 19. № 4. P. 22-23. C.A. 1999. V. 131. 276693.
8. Synergistic role of ascorbate in corrosion inhibition / Rao B.V. Appa, Rao S. Srinivasa // Bulletin of Electrochemistry. 2005. V. 21. № 3. P. 139-144. C.A. 2006. V. 144. 472020.
9. Pat. CN 1137492A КНР, МКИ C02F 005-12. Composite agents for stabiliz-ing the quality of recirculating water in blast-furnace cooling system / Zhou Yihong, Yao Guangren et al. Заявл. 1995; Опубл. 11.12.1996; C.A. 1999. V. 131. 218967.
10. Corrosion inhibition by carboxymethyl cellulose-1-hydroxyethane- l,ldiphosphonic acid-Zn2+ system / Rajendran S., Joany R.M. et al. // Bulle¬tin of Electrochemistry. 2002. V. 18. № 1. P. 25-28. C.A. 2002. V. 136. 328649.
11. Стандарт СТ-07.1-00-00-02 «Порядок проведения лабораторных и опытно-промысловых испытаний химических реагентов для применения в процессах добычи и подготовки нефти и газа». 2013 г. - 83 с.