УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ НАКИПИ Российский патент 2005 года по МПК C02F5/00 B01J47/02 B01D39/10 C02F103/04 

Изобретение относится к водоподготовке и может быть использовано для предотвращения образования накипи на поверхностях нагрева теплообменных аппаратов, паровых и водогрейных котлов, для опреснения и выпаривания воды, в технологических процессах, включающих цикл выпаривания водных растворов, сельском хозяйстве, быту, курортно-санаторном лечении и др.

Известны устройства, основанные на различных принципах действия и предназначенные для снижения накипеобразования путем умягчения воды. Так, в соответствии с (Н.Н.Абрамов. Водоснабжение. М.: Стройиздат, 1982 г., с.300) для снижения накипеобразования жесткую воду, содержащую ионы Са и Mg, умягчают реагентным способом. Воду пропускают через химический реагент, связывающий ионы Са и Mg в малорастворимые и легко удаляемые осаждением и фильтрованием соединения - карбонат кальция и гидроокись магния.

В устройствах, содержащих термоумягчитель (в частности, Патент РФ №2152905 от 01.02.1996, С 02 F 1/20, С 02 F 5/02), снижение образования накипи также достигается реагентным умягчением с применением извести и соды при температуре более 100°С. Дополнительный нагрев позволяет ускорить удаление ионов жесткости. Известны мембранные аппараты (там же, с.301), в которых исходная жесткая вода двигается в камере с одной стороны катионитовой мембраны, а рассол NaCl - в камере по другую сторону мембраны. Ионы натрия мигрируют в мембрану и далее в исходную воду, а ионы кальция - в противоположном направлении, т.е. из жесткой воды в рассол. Известные устройства также предназначены для снижения образования накипи за счет умягчения воды.

Принципиально аналогичным образом проходит обработку жесткая вода в устройствах, известных из ЕР 0056850 от 28.01.1982, МПК C 02 F 1/42, RU 2163568 от 30.11.1999, МПК С 02 F 1/42 и др.

В 1936 г. был открыт технический прием, который без очистки от солей жесткости и без дегазации во многих случаях позволяет предотвратить накипеобразование на поверхности. Теоретическое обоснование явления, названного магнитогидродинамическим (МГД) резонансом (или квазиумягчением воды), появилось в 80-х годах прошлого века. Согласно данной модели физическая сущность МГД резонанса состоит в структурной перестройке жидкости, инициированной резонансной частотой силы Лоренца. Из воды с модифицированной структурой карбонат кальция кристаллизуется в форме арагонита. Кристаллографическое несоответствие кристаллов составляет Fe₂O₃/арагонит=0,121, а сидерит/арагонит=0,191. Это указывает на то, что накипь будет откладываться на теплообменной поверхности при пересыщениях в 3,5-4,5 раза выше обычного для таких условий. Кроме того, у арагонита несколько более высокая растворимость, ниже адгезия к стали и когезия между кристаллами. Следовательно, арагонит даже после кристаллизации на поверхности будет уноситься потоком жидкости в виде отдельных кристаллов. Указанные воззрения хорошо согласуются с практическими результатами. Кроме того, неоднократно показано, что вода, претерпевшая структурную перестройку в МГД резонаторе, способна отмывать ранее отложившуюся накипь. Это объясняют тем, что кристаллизация карбоната кальция из такой воды идет в форме арагонита. Кристаллографическое несоответствие кальцита и арагонита составляет 0,14, т.е. рост арагонита идет на поверхности кальцита. Одновременно имеет место и перекристаллизация кальцита в арагонит. В результате более низкой адгезии арагонита к поверхности металла и низкой когезии кристаллов арагонита друг к другу ранее образовавшаяся накипь разрыхляется, отслаивается от поверхности и уносится потоком воды (В.А.Присяжнюк. Физико-химические основы предотвращения кристаллизации на теплообменных поверхностях. Сантехника, 2003, №10, с.30). Из уровня техники известны устройства, работа которых основана на указанном выше принципе, позволяющие снизить накипеобразование.

Так, устройства магнитной обработки воды (в частности, Патент РФ №2118614 от 05.03.1997, С 02 F 1/18) позволяют снизить образование накипи за счет квазиумягчения воды. В таких устройствах жесткую воду пропускают через средство квазиумягченмя воды - элемент (магнитрон), содержащий постоянный магнит или электромагнит, в котором магнитной обработке в переменном во времени и градиентном в пространстве магнитном поле подвергается 20-30% от всей жидкости. Указанная магнитная обработка позволяет получить воду, не дающую осадков при кипячении. Известным устройством защищен оптимальный режим квазиумягчения (не весь объем воды подвергается магнитной обработке, а только часть его). В других устройствах подобного типа, как правило, с помощью магнитного поля воздействуют на всю пропускаемую воду.

Известное устройство по технической сущности является наиболее близким заявляемому устройству, поскольку оба устройства обеспечивают снижение накипеобразования за счет эффекта квазиумягчения. Известное устройство, раскрытое в патенте РФ №2118614 от 05.03.1997, С 02 F 1/18, выбрано нами в качестве прототипа.

Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего значительно снизить накипеобразование при кипячении воды, а также трудозатраты в процессе изготовления устройства и упростить его эксплуатацию. Технический результат достигается тем, что в устройстве для снижения накипеобразования, включающем корпус, средство подачи воды, средство обработки воды путем ее квазиумягчения и средство отвода обработанной воды, средство обработки воды выполнено из ионообменного материала пространственно-глобулярной структуры (ПГС).

Необходимо заметить, что ПГС - глобулярный трехмерный ионит, имеющий размер глобул 5-7 мкм. Микроглобулы в ионите ПГС образуют регулярную высокопроницаемую структуру, что обусловлено спонтанным саморегулирующимся механизмом полимерообразования. Средний размер пор составляет 1-3 мкм, общая пористость - более 65 об.%. Обычно этот материал используют для сорбционных процессов при высоких скоростях пропускания растворов. Так как размер микроглобул ионита ПГС на два порядка меньше, чем у ионитов стандартного зернения (5-7 мкм против 0,5-0,7 мм), то объемные скорости пропускания растворов могут достигать величин, в 100 и более раз превышающих скорости пропускания растворов через неподвижный слой ионита обычного зернения (1000-2000 против 10-15 уд. об/ч соответственно). Структура и свойства ионита ПГС известны, например, из Энциклопедии полимеров. М.: Издательство Советская Энциклопедия, 1972, с.652. Различные модификации способа получения материала ПГС, например, в соответствии с а.с. СССР 1378319 от 23.05.1985, C 08 J 5/20, C 08 G 8/22 и а.с. СССР 1023788 от 24.10.1980, C 08 J 9/10 позволяют значительно расширить диапазон размеров его пор и тем самым повысить его проницаемость при работе в качестве сорбента.

Проведенные авторами настоящего изобретения экспериментальные исследования позволили получить доказательства того, что взаимодействие воды с ПГС материалом приводит к физико-химическим изменениям ее структуры, имеющим сходство с состоянием воды после магнитной обработки. На близость указанных процессов указывает отсутствие осадка на поверхности нагревательных приборов в течение продолжительного времени их эксплуатации и образование легко удаляемого арагонита после длительного кипячения воды. В обоих процессах количество солей жесткости в воде не уменьшается, т.е. имеет место квазиумягчение жесткой воды.

Необходимо указать, что в настоящее время обнаруженный авторами новый эффект всесторонне исследуется с целью объяснения механизма взаимодействия жесткой воды с ПГС-материалом, в том числе с привлечением специалистов из разных областей науки и техники.

Предпочтительной формой средства обработки воды при реализации заявляемого устройства является полый цилиндр, выполненный из полимера ПГС с порами размером 0,01-3 мкм. Структура матрицы полимера соответствует формуле:

При этом корпус устройства также является цилиндрическим. Соотношение параметров цилиндра из ПГС-материала характеризуется следующим образом: отношение наружного диаметра к внутреннему диаметру составляет 1,7-1,9, а к высоте - 0,2-0,3.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен общий вид устройства в разрезе, где 1 - полый корпус, выполненный из стали, или пластмассы, или любого другого подходящего материала, 2 - средство обработки воды для ее квазиумягчения, выполненное в виде полого цилиндра из ПГС-материала, установленного коаксиально корпусу 1 с зазором, в который подается вода средством подачи воды (например, насосом) не показано. Из устройства вода отводится с помощью средства отвода обработанной воды (не показано). Цилиндр 2 запирается заглушкой 3, 4 - крышка устройства.

Работает заявляемое устройство следующим образом. Воду, содержащую соли жесткости, направляют с помощью средства подачи воды в зазор, образованный корпусом 1 устройства и полым цилиндром 2. Из зазора вода проходит через поры ПГС-материала во внутреннюю полость цилиндра 2. Требуемую скорость пропускания воды для получения максимального эффекта обычно подбирают опытным путем. Для устройства с цилиндром 2, выполненным высотой 245-247 мм, наружным диаметром, равным 73-75 мм, внутренним диаметром, равным 40-42 мм, оптимальной является скорость не менее 5 л/мин. Обработанная вода отводится с помощью средства отвода обработанной воды в накопитель или прямо для потребления. В первые 30-60 мин наблюдается обычная фильтрация воды через ионит с некоторым понижением содержания солей жесткости (на 10-15%), в последующем в процессе обработки воды содержание солей жесткости остается неизменным, но накипь при кипячении такой воды не образуется. Только через период порядка 100-200 часов (зависит от концентрации солей жесткости) наблюдается образование рыхлого белого легко удаляемою с поверхности нагревателя осадка (арагонита).

При реализации заявляемого устройства внутренний цилиндр 2 был изготовлен из инертного пористого материала - полимера ПГС с порами размером 0,01-3 мкм. Корпус устройства размещен в чехле, выполненном из полипропилена. Заявляемое устройство поясняется следующим примером. Устройство, изготовленное согласно изобретению, использовали для обработки воды, содержащей CaCl₂·6Н₂О и MgCl₂·6Н₂O. Воду пропускали через устройство со скоростью 5 л/мин. Параметры исходной воды и данные об образовании накипи при кипячении обработанной воды представлены в таблице.

 СРЕДАЦветность градМутность мг/лрНЖелезо мг/лКальций Мг-экв/лОбразование накипиИсходная вода15.00.07.00.057.0После непродолжительного кипячения на поверхности нагрева образуется плотный осадок - кальцитВода после обработки в устройстве14.00.07.00.057.0После продолжительного кипячения на поверхности воды образуется рыхлая пленка - арагонит

Представленные данные свидетельствуют о том, что при кипячении воды, обработанной в заявляемом устройстве, накипь образуется после длительного кипячения. В проточных нагревателях рыхлый осадок в виде легкой пленки поднимается на поверхность потоком воды и легко удаляется как пенка. При кипячении непроточной воды легкая пленка поднимается на поверхность воды.

Данные рентгеноструктурного анализа указывают на то, что осадок представляет собой арагонит.

Анализы воды выполнялись в соответствии со следующей нормативной документацией:

ГОСТ 2874-82 Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством.

ГОСТ 3351-74 Вода питьевая. Методы определения вкуса, запаха, цветности и мутности.

ГОСТ 4011-72 Вода питьевая. Методы измерения массовой концентрации общего железа.

ГОСТ 4974-72 Вода питьевая. Методы определения содержания марганца.

Изобретение относится к водоподготовке и может быть использовано для предотвращения образования накипи на поверхностях нагрева теплообменных аппаратов, паровых и водогрейных котлов, для опреснения и выпаривания воды, в технологических процессах, включающих цикл выпаривания водных растворов, сельском хозяйстве, быту, курортно-санаторном лечении. Устройство для снижения образования накипи включает корпус, средство подачи воды, средство обработки воды путем ее квазиумягчения и средство отвода обработанной воды. Средство обработки воды выполнено из материала ПГС с порами размером 0,01-3 мкм, а воду пропускают через указанное средство со скоростью не менее 5 л/мин. В предпочтительном варианте средство обработки воды выполнено в виде полого цилиндра, установленного соосно корпусу устройства, при этом отношение наружного диаметра полого цилиндра к его внутреннему диаметру составляет 1,7-1,9, а к высоте - 0,2-0,3. Устройство обеспечивает значительно снизить накипеобразование при кипячении воды, а также уменьшить трудозатраты при его изготовлении и упростить эксплуатацию. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Устройство для снижения образования накипи, включающее корпус, средство подачи воды, средство обработки воды путем ее квазиумягчения и средство отвода обработанной воды, отличающееся тем, что средство обработки воды выполнено из материала пространственно-глобулярной структуры (ПГС).2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство обработки воды выполнено из материала ПГС с порами размером 0,01-3 мкм, а воду пропускают через указанное средство со скоростью не менее 5 л/мин.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средство обработки воды выполнено в виде полого цилиндра, установленного соосно корпусу устройства.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что отношение наружного диаметра полого цилиндра к его внутреннему диаметру составляет 1,7-1,9, а к высоте 0,2-0,3.