автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Повышение надежности водосолевых абсорбционных холодильных машин на основе использования адсорбирующихся ингибиторов

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ?! ИНСТИТУТ .ХОЛОДИЛЬНОЙ ПРСШ1ШЕННОСТИ

Для служебного пользования Эиз. №

На правах рукописи УДК 621.575:661.185.4

ВОЛКОВА ОЛЬГА ВЛАДИМИРОВНА

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ВОДОСС01ЕВЫХ АБСОРБЦИОННЫХ ХОТОДИИЬНЫХ 1М1 НА. ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ . АДСОРБИР/ЩИХСЯ ИНГИБИТОРОВ

Специальность 05.04.03 - Машины и аппараты холодильной и

криогенной техники и систем кондиционировали я

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград 191?!

Работа выполнена в Ленинградском ордена Трудового Красного Знамени технологическом институте холодильной промышленности.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Орехов И.И.

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Новотельное ВЛ1.

кандидат технических наук

Догояяцкий В.И.

Ведущее предприятие - ВНЙИХолодмэш, Москва.

Защита состоится с^Ъеь^Л' 1991 г.

в часов на заседании специализированного Совета К.063.02.01

при Ленинградском ордена Трудового Красного Знамени технологическом институте холодильной промышленности, по адресу: 191002, Ленинград, ул. Ломоносова, 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 1991 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной гербовой печатью, просим направлять в специализированный Совет • института,

Учений секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук, доцент Акулов Л.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последние годы в" нашей стране и за рубежом много внимания уделяется проблемам рационального использования и экономного расходования энергетических ресурсов. В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года" ставится задача удовлетворения потребностей в приросте потребления топлива, энергии, сырья и материалов на 75-80 % за счет их экономии; указывается на необходимость более полного использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии и вторичных ресурсов /ВЭР/. Постепенный перевод экономики на энергосберегающий путь развития обусловлен рядом факторов, главными из которых являются:

- увеличение затрат на добычу и производство энергетических ресурсов;

- дальнейший рост энергетических потребностей.

В настоящее время использование ВЭР в нашей стране недостаточно и по оценкам специалистов составляет около 65 % от возможного.

Рациональное использование ЮР обеспечит большие экономические выгоды (благодаря увеличению масштабов производства при неизменном размере сырьевой базы; уменьшение издержек на топливо и энергии и, следовательно, снижению стоимости основной технологической продукции) и приведет к снижению капитальных затрат и экономии производственных фондов в масштабе всего народного хозяйства.

Одним из наиболее элективных направлений утилизации .ВЭР является получение холода с помощью теплоиспользующих холодильных машин.

Применение теплоиспользующих холодильных машин, в частности абсорбционных холодильных машин /АХМ/, позволяет одновременно решить задачи утилизации сбросной теплоты и производства холода при незначительных затратах электроэнергии.

-Особенно эффективно применение АХМ на предприятиях химической промышленности при производстве аммиака, хлора,синтетического спирта и каучука, кальцинированной соды. Эти предприятия нуэдаются в значительном количестве холода с потенциалом 4... 18 °С. В то же врет они располагают большими запасами тепловой энергии высоких параметров. В этом случае.

потребность в холоде может быть удовлетворена, за счет применения абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин /АБХМ/, использующих ЮР в качество греющего источника. Это оказывается более выгодным во энергетическим показателям, чем использование компрессионных холодильных машин.

У нас в стране ведутся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию новых типов АХМ и повышенна эффективности работы существующих машин. Улучшению технико-экономических показателей АХМ способствуют работы по совершенствованию их конструкций, поиску и исследованию новых рабочих веществ, интенсификации процессов тепломассопереноса в отдельных аппарата« машин. Опыт работы промышленных машин показывает, что к существенным недостаткам водосолевых АХМ, ограничивающим их применение, относятся значительная металлоёмкость малин, сравнительно небольшой срок службы и затрудненная эксплуатация, связанные с высокой коррозионной активностью абсорбентов. Поэтому актуальной проблемой в области холодильной техники является надежная защита водосолевых АХМ от коррозии.

Цель работы и задачи' исследования. Целью работы являлось повышение надежности водосолевых АХИ на осноЕё применения новых ингибиторов коррозии, экспериментальное исследование защитных свойств выбранных ингибиторов и разработка рекомендаций по их промышленному использованию.

Для дсстжкения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

- на основании анализа литературных данных и положений адсорбционной теории органических ингибиторов, с учетом требований, предъявляемых к ингибиторам в условиях работы АХМ, выбрать для исследований перспективные класса ингибиторов коррозии в целях защиты углеродистых сталей в водосолевых АХМ;

- исследовать защитные сво{Цтва выбранных ингибиторов в водосолевых растворах и на основании анализа полученных ре-, зультатов определить наиболее эффективные для применения в АХМ;

- исследовать влияние выбранных ингибиторов на тепловые характеристики основных аппаратов АХМ;,

- разработать методику антикоррозионной защиты промыш-

ленных магаин типа АБХА. Провести промышленные испытания новых ингибиторов коррозии;

- оценить технико-экономические показатели АХМ с предложенными ингибиторами.

Научная новизна. На основании анализа литературных данных и положений адсорбционной теории органических ингибиторов впервые установлено, что перспективными для применения в водо-солевнх ЛХМ могут быть адсорбирующиеся ингибиторы: комплексо-образоватеди и азотосодержащие ингибиторы типа аминов.

Получены экспериментальные данные по защитным свойствам ряда ингибиторов и их композиций в водосолевых растворах, применяемых в качестве рабочих веществ АХМ. Предложен принципиально новый метод антикоррозионной защиты промышленных АБХМ, основанный на предварительной обработке машины водным раствором 8-оксихинолина. Применение этого метода позволит предотвратить коррозию углеродистых сталей во всех фазах раствора бромида лития.

Исследовано влияние защитной пленки на тепловые характеристики малины. С учетом этого оценены технико-экономические показатели АБХМ с предложенной антикоррозионной зшцктоЯ. Предложена для промышленного применения в АБХМ икгибиторная композиция на ос! ве поверхностно-активного вещества, позволяющая интенсифицировать процессы тепломассообмена в абсорбере и конденсаторе и эффективно защищать углеродистые стали от коррозии во всех фазах раствора бромида лития. По соответствующей заявке на изобретение № 4725308/26 от 2.08.89 получено положительное реление от 30.05.90.

Для защиты водосолевых АХМ, использующих в качестве абсорбента хлорид и нитрат кальция, предложена ингибиторная композиция, состоящая из бензотриазола и N-проглргилзтилен-диамина, защищенная авторекил свидетельством на изобретение СССР. ' . • -

Практическая ценность и внедрение. Полученные данные по защитным свойствам адсорбирующихся ингибиторов коррозии; разработанная методика антикоррозионной защиты промышленные машин типа АБХА; экспериментальные данные по теплообмену в абсорбере и конденсаторе; результаты коррозионных испытаний машины АБХА-1000, работающей с предложенным ингибитором; экспериментальные данные по коррозионной стойкости различ-

ных конструкционных материалов и их комбинаций могут быть использованы для обеспечения надежной защиты от коррозии промышленных водосолевых АХМ и создания новых образцов машин.

Технико-экономическая эффективность машин с предложенными ингибитора».«! заключается в увеличении срока службы АХМ, уменьшении их металлоемкости, повышении эксплуатационной надежности. Применение предложенных ингибиторов дает возмо-кность использовать в основных аппаратах АХМ теплообменные трубы с меньшей толциной стенки, что снизит металлоемкость машин. Результаты исследований, проведенных в диссертационной работе, внедрены на холодильных станциях, оснащенных промышленными машинами АБХА-ЮОО, АБХА-2500, АБХВД-2500, следующих предприятий НИИДАР Москва/, Днепровского машиностроительного завода /г.Днепропетровск/, Узбекского металлургического завода /г.Бекабад/, Смоленской атомной станции /г.Десногорск/. Экономический эфйект от внедрения результатов диссертационной работы на Днепровском машиностроительном заводе и Узбекском металлургическом заводе составляет 350 тыс.руб. в год. .

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Всесоюзной научно-технической конференции "Борьба с коррозией в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности" /г.Кириши, 1986/; Всесоюзной научно-технической конференции "Пути интенсификации производства с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, торговле и на транспорте" /г.Одесса, 1989/; научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и,аспирантов ЛТИХП /Ленинград, 19В7-1990 гг./.

Публикации. По результатам диссертационной работы получено авторское свидетельство на изобретение, опубликованы три статьи и тезисы докладов двух всесоюзных конференций.

Объем и структура работы. Диссертация содержит 72 страницы машинописного текста, II рисунков, 13 таблиц, 22 страницы приложений,-118 наименований литературных источников. Она состоит из введения, трех глав, выводов и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. Результаты коррозионных испытаний конструкционных материалов в водосолевых растворах

Коррозионные исследования проводились в условиях испа-

к

рения раствора-конденсации пара в соответствии с требованиями ГОСТ 13819-66 и РИ-28-01-68. Коррозионная стойкость материалов определялась гравиметрическим методой. Образцы для испытаний изготавливались в виде пластин размером 30x20x3 мм со шлифованной поверхностью-и помещались в жидкую <*азу, ¡{а границ/ раздела Лаз и в паровую фазу исследуемых растворов. Для исследования 'контактной коррозии на пластины надевались кольца, выполненные из другого конструкционного материала. Исследование щелевой коррозии проводилось на образцах, выполненных в виде цилиндров из прутка диаметром 13 ш; на которые надевались трубки внутренним диаметром 14 мм для обеспечения необходимого зазора.

Результаты коррозионных испытаний углеродистых сталей, применяемых в качестве конструкционных материалов АХ?! общего назначения, в водосол^внх растворах представлены в табл.1.

Таблица I

Коррозионная стойкость углеродистых сталей в

водосолевых растворах

Состав раствора Про-долки-тель-носгь испытаний, ч Материал образца Концентрация раствора, % Темпе рату-ра, °С Скорость коррозии, г/См^ч)

в жидкой <Ьазе на границе раздела фаз в паровой (разе

I 3 4 5 6 7 8

ПВг-Нг0 100 100 100 Ст.З Ст. 10 Ст. 20 60 60 60 150 150 150 0,76 0,68 0,81 1,35* 2,81я 1,99я 3,34я 3,35я 3,87д

LiCl-HzO 100 1000 1000 Ст.З Ст.З Ст.З 42 42 40 140 140 102 0,55 0,76 0,02 0,67, 1,35д 0,9Я 1.85я 3,34я 0,002

СШг'ЩО 100 1000 1000 Ст.З Ст.З Ст.З 40 40 50 120 102 102 0,63 0,05 0,03 0,82* 0,07 0,13 2,47я 0,002 0,03

* я - язвенная коррозия; п - питтинг."

Проведенные исследования показали, что растворы бромида

лития, хлоридов лития и кальция оказывают значительное коррозионное воздействие на углеродистые "тали в паровой фазе и на границе раздела фаз при температуре более 100 °С. Так, для водного раствора бромида лития коррозия на границе раздела фаз в 2-4 раза, а в паровой в 4-5 раз выше, чем в жидкой фазе. На фоне высоких скоростей общей коррозии /до 4 г/(м£-ч)/ наблюдается ярко'выраженный локальный характер коррозионных разрушений. Можно утверждать, что коррозионная активность исследованных растворов снижается в ряду, содержащем Вг ,2С1 , С1 -ионы.

Результаты экспериментальных исследований контактной и щелевой коррозии различных комбинаций конструкционных мать-риалов в 60 %-м растворе бромида лития за 100 ч непрерывных испытаний при температуре 150 °С представлены в табл.2.

Таблица 2

Контактная и щелевая коррозия конструкционных материалов в водном растворе бромида лития

Материал образца Скорость коррозии, г/(ьс-ч

в паровой фазе на границе раздела фаз в жидкой фазе

Контакт Ст.З 1,94 1,44 1,65

МШ-5 0,17 0,08 0,03

Контакт I2XI8HI0T 0 0,01 0

МНЖ-5 0,48 3,9- 0,14

Щелевая коррозия

Ст.З 2,93д' 1,08 я 1,07

МШ-5 0,21 0,13 0,11

Ст.З 0,96я 1,74 0,73я 0,75

МЗП 0,78 1,72

Ст.З 1,38 0,50 0,45

12Х1ГЧ10Т 0,06 0,09 0,10

Анализ полученных результатов показывает, что при контакте углеродистой стали марки Ст.З с мельхиором марки №-5 коррозия Ст.З в жидкой фазе возрастает в два раза при практически неизменной скорости коррозии в паровой фазе и на границе раздела фаз. Скорость коррозии МШ-5 незначительна.

В случае контакта неряавещей стали марки 12Х16Н10Т с

мельхиором аначителыю усиливается коррозия МШ-5 на границе раздела фаз и в паровой фазе при отсутствии коррозии 12Х18Н10Т.

Наименьшей устойчивостью к щелевой коррозии обладает Ст.З в сочетании с МШ-5 и медным сплавом марки МЗП.

Наибольшей устойчивость» к щелевой коррозии обладает Ст.З в сочетании с 12Х18Щ0Т в жидкой фазе и на граница раздела фаз. Однако в паровой фазе наблюдается язвенная коррозия. Нэркаветадал сталь при этом обладает сравнительно высокой коррозионной стойкостью во всех фазах. Полученные данные свидетельствуют о том, что для рассматриваемых рабочих растворов АХМ а первуо очерепь необходимо решать вопроси защиты металла на границе раздела фаз и в паровой фазе.

2. Исследование защитных своЯств новых ингибиторов • коррозии для водосолевых растворов абсорбционных холодильных машин

Наиболее простым, эффективным и экономически целесообразным методом борьбы с коррозией в АХМ является ингибирова-нив. В водосолевых АХМ имеет место электрохимическая коррозия металлов. Ингибиторы изменяют кинетику электрохимических реакций. По механизму действия все ингибиторы делятся на два . класса: пассиваторы и адсорбирующиеся ингибиторы. К пассива-торам относятся, как правило, неорганические вещества, образующие с ионами металлов нерастворимые продукты и формирующие пленку. Адсорбирующиеся ингибиторы - это органические соединения, действие которых заключается в образовании адсорбционной пленки на поверхности металла (Физической или химической). Гассиваторы влияют на анодный процесс, адсорбирующиеся ингибиторы - на кинетику катодной реакции.

Используемая в промышленности ингибиторная композиция на основе хромата лития, относящегося к пассиваторам, на защищает углеродистые стали от коррозии в паровой фазе и на границе раздела фаз. Кроме того, требуется постоянный контроль концентрации хроматов в рабочем растворе и частая их дозаправка, что создает дополнительные сложности при эксплуатации АХМ.

С учетом требований, предъявляемых к ингибиторам в условиях работы АХМ, и положений адсорбционной теории органических ингибиторов определено, что перспективными для исполь-

У

- ю -

зования в водосолевых АХМ являются адсорбирующиеся ингибиторы: азотосодержащие ингибиторы типа еминов и комплексообразователи. Результаты исследований защитных свойств порядка 30 ингибиторов, относящихся к указанным группам, и их композиций показали, что наиболее эффективными ингибиторами для водосолевых: растворов АХМ являются 8-оксихинолин, пиперидин, бензотриазол и N-пропаргилэтилендиамин.

8-оксихинолин /СдИуОЖ/, относящийся к группе комплексо-образователей, при взаимодействии с металлами образует устойчивые пятичленные хелатные циклы, которые Формируют на поверхности металлов защитные пленки, препятствующие коррозионным процессам. Ори введении 8-оксихинолина в раствор, содержащий. и ,Са*2 , Вг ,С1 -ионы, происходит образование комплексов типа Ы(Ж VI СЬ((Щн галогенэамещенных соединений. Состав и свойства водосолевых растворов в этом случае меняются. Поэтому было признано целесообразным предварительно обрабатывать поверхность металла в водном растворе 8-оксихинолина без последующего его введения в рабочий раствор (процесс пассивации). Для образования надежной защитной пленки концентрация 8-оксихинолина в водном растворе должна составлять 0,5 %, время формирования пленки 100 ч при температуре 100 °С. В этом случае достигается эйФективная защита углеродистой стали во всех фазах раствора бромида лития. Степень защиты составляла порядка 95 % и вше, а абсолютная величина скорости коррозии не превышала 0,13 г/(м^-ч). При этом характер коррозии равномерный.

С целью интенсификации процессов тепломассопереноса в абсорбере и конденсаторе АЕХМ рекомендуется использовать поверхностно-активный вещества (ПАВ), в частности 2,2,3,3,4,4,5,5--октафторпентанол-1. Наиболее эффективным ингибитором, совместимым с указанным ПАВ, является диперидин в количестве 0,03... 0,07 % в сочетании с хроматом лития (0,18 %) и гидроксидом лития (0,1 %). Предложенная ингибиторная композиция позволяет обеспечить практически 100 %-ю защиту углеродистой стали во всех (вазах водного раствора бромида лития.

Проведенные исследования показали, что во всех фазах раствора хлорида кальция эффективно защищает углеродистую сталь бензотриазол /БТА/ в количестве 0,5 %. Степень защиты составляет порядка 92-100 %. В водном растворе, содержащем хлорид и нитрат кальция, для защиты углеродистых сталей рекомендуется использовать бензотриазол в количестве 0,5 % в композиции с Ж-пропаргилэтилендиамином в количестве 0,1 %. Предложенная