合成氨壓縮機(jī)級間換熱器結(jié)焦超聲清洗的研究

田蒙奎，姜穎，王軍，王國維，王昌敏，簡萬國（貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，貴州 貴陽 55005；貴州開磷（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，貴州 開陽 550300）

應(yīng)用技術(shù)

合成氨壓縮機(jī)級間換熱器結(jié)焦超聲清洗的研究

田蒙奎1，姜穎1，王軍1，王國維2，王昌敏2，簡萬國2
（1貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2貴州開磷（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，貴州 開陽 550300）

在貴州某公司以半水煤氣合成氨工藝的運(yùn)行維護(hù)中，壓縮機(jī)級間換熱器結(jié)焦是一個(gè)最為突出、急需解決的問題。結(jié)焦造成換熱效率下降，阻力增加，壓縮比降低，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。本文以貴州某公司合成氨壓縮工段換熱器結(jié)焦為研究對象，根據(jù)前期對結(jié)焦機(jī)理及結(jié)焦物化學(xué)組分的研究，采用超聲清洗方法，選取OP-10、十二烷基磺酸鈉作為主劑，氫氧化鈉作為堿性助劑，研究對比各試劑的清焦能力，并對其進(jìn)行復(fù)配，考察清洗劑的組成、濃度以及清洗溫度對焦垢去除能力的影響。結(jié)果表明：OP-10乳化劑最佳濃度為60g/L，十二烷基磺酸鈉的最佳濃度為50g/L，氫氧化鈉的最佳濃度為3g/L；且當(dāng)濃度為60 g/L的OP-10乳化劑、50 g/L的十二烷基磺酸鈉和3g/L的氫氧化鈉復(fù)配組成體積比為1∶2∶2的清洗劑，在50℃時(shí)對焦垢進(jìn)行超聲清洗的清洗效果最好。

壓縮機(jī)；換熱器；傳熱；表面活性劑；超聲清洗；清洗劑

貴州某公司以半水煤氣生產(chǎn)合成氨工藝中，為了使合成氣達(dá)到合成所需的壓力，需要逐級壓縮。在各級壓縮間采用列管式水冷方式，冷卻水走管程，合成氣走殼程。在投入使用以來，存在級間換熱器結(jié)焦的現(xiàn)象，結(jié)焦物聚集在管間，嚴(yán)重影響換熱效果，導(dǎo)致?lián)Q熱器出口溫度超標(biāo)、壓縮機(jī)壓縮比降低，功耗提高。壓縮機(jī)級間換熱器的結(jié)焦現(xiàn)象不僅影響換熱設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還直接影響整個(gè)合成氨工段的運(yùn)行以及合成氨的產(chǎn)量和成本［1］。目前，工廠對結(jié)焦堵塞嚴(yán)重的換熱器拆卸后采用高壓水清洗或化學(xué)試劑進(jìn)行清洗，雖然能起到一定作用，但設(shè)備運(yùn)行40天左右，出口溫度再次超標(biāo)，且化學(xué)試劑會對換熱管造成一定的腐蝕。采用的兩種方法均存在成本偏高、勞動強(qiáng)度較大、容易污染水源、需要停產(chǎn)施工、操作工藝繁雜、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等許多缺點(diǎn)，因此造成的損失每年達(dá)上千萬元［2-4］。

針對合成氨級間換熱器結(jié)焦這一關(guān)鍵問題，開發(fā)結(jié)焦抑制技術(shù)，延長換熱器清洗、更換周期是確保合成氨長期穩(wěn)定運(yùn)行的重要研究開發(fā)內(nèi)容。經(jīng)過前期對結(jié)焦物進(jìn)行紅外光譜分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)焦物中含有烴類、鹵素離子以及芳環(huán)官能團(tuán)。其中的烴類物質(zhì)可以吸附在金屬上發(fā)生金屬催化結(jié)焦，其結(jié)焦物質(zhì)主要呈纖維狀或柱狀；鹵素離子及自由基的存在都會催化自由基結(jié)焦的發(fā)生。此外，其中所含芳環(huán)官能團(tuán)是氣相結(jié)焦非常重要的中間物質(zhì)，芳烴化合物脫氫聚合成多環(huán)芳烴，在較高溫度下脫氫聚合成焦。通過XRD分析得出結(jié)焦物中結(jié)晶相有：Fe3O4+FeS+Fe2O3+γ-Fe2O3+FeS2-CoS2+FeS2-NiS2，還有Mg、Ti、Mn、Sb、Cu、Au、Ag等細(xì)分散混入物。該結(jié)焦系統(tǒng)十分復(fù)雜，有金屬催化結(jié)焦、自由基結(jié)焦和氣相結(jié)焦［5］。根據(jù)前期對結(jié)焦物及結(jié)焦機(jī)理的研究，決定選取合適的清洗劑，采用超聲清洗技術(shù)，該技術(shù)不僅能夠很大地降低由于化學(xué)清洗或其他清洗方法對環(huán)境所造成的污染和對被清洗件所造成的腐蝕，還能夠降低化學(xué)藥品的用量，降低勞動強(qiáng)度，縮短清洗時(shí)間，提高清洗效率［6-9］。

本文以貴州某公司合成氨壓縮機(jī)級間換熱器結(jié)焦為研究對象，采用超聲清洗方法，考察清洗劑的組成、濃度以及清洗溫度對焦垢的清洗效果的影響，為焦垢的超聲清洗技術(shù)提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和指導(dǎo)。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)原料、儀器及試劑

1.1.1原料

在貴州某合成氨公司采用的壓縮機(jī)級間換熱器中，選取結(jié)焦?fàn)顩r接近的換熱管，并切割成10cm等長，試驗(yàn)前在40℃下烘干4h、稱重，作為待測樣管。

1.2.2儀器

超聲清洗器（深圳市華深科工設(shè)備有限公司，型號 PS-100，頻率 40kHz）。此設(shè)備僅作為實(shí)驗(yàn)室研究清洗劑的組成、濃度以及清洗溫度對焦垢清洗效果影響的儀器，實(shí)際工況下開展超聲清洗的方案已進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。

1.2.3試劑

影響超聲清洗效果的因素不僅與清洗劑的化學(xué)作用效果、表面張力、蒸氣壓或黏度有關(guān)，還與清洗劑的溫度等多種因素息息相關(guān)［10-15］。綜合以上因素，選取的試驗(yàn)試劑見表1所示。

表1　試驗(yàn)所用試劑

2　結(jié)果與討論

2.1清洗劑各組分最佳濃度的確定

2.1.1主劑的最佳濃度

分別將OP-10乳化劑及十二烷基磺酸鈉配制成濃度均勻遞增的 7組水溶液，超聲溫度 30℃清洗10h，測定其清焦量及焦垢殘留情況，見表2及表3所示。

表2　不同濃度下OP-10乳化劑清焦能力的測定結(jié)果

表3　不同濃度下十二烷基磺酸鈉清焦能力的測定結(jié)果

將兩種表面活性劑的清焦量與濃度的變化關(guān)系，進(jìn)行對比如圖1所示。

圖1　表面活性劑濃度對清焦率的影響

由圖1可看出，當(dāng)表面活性劑的濃度達(dá)到某特定值時(shí)，其清焦量達(dá)到最大，其后表面活性劑的濃度繼續(xù)增加，其清焦量基本保持不變。由圖1可見，OP-10乳化劑的最佳濃度為150g/L，十二烷基磺酸鈉的最佳濃度為100g/L。因此，在表面活性劑的復(fù)配過程中，分別取兩種試劑的最佳濃度進(jìn)行正交復(fù)配。

試驗(yàn)測定當(dāng)十二烷基磺酸鈉濃度達(dá)到 100g/L時(shí)，改變OP-10乳化劑的濃度cx（0＜cx＜150 g/L），以樣管質(zhì)量無明顯變化為試驗(yàn)終點(diǎn)，記錄其清焦量及所用時(shí)間，OP-10乳化劑濃度對復(fù)配表面活性劑清焦效果的影響見圖2。

圖2　OP-10乳化劑濃度對復(fù)配表面活性劑清焦效果的影響

從圖2可知，當(dāng)復(fù)配表面活性劑OP-10乳化劑的濃度低于60g/L時(shí)，其清焦量隨OP-10乳化劑濃度的增加呈現(xiàn)上升趨勢且清焦所用時(shí)間不斷縮短；當(dāng)OP-10乳化劑濃度達(dá)到60g/L時(shí)，其清焦量達(dá)到最大值且清焦所用時(shí)間最短；而當(dāng)OP-10乳化劑濃度繼續(xù)增加，復(fù)配表面活性劑的清焦量受其濃度變化的影響趨于平緩且清焦用時(shí)也不再縮短，因此得出OP-10乳化劑的最佳復(fù)配濃度為60 g/L。

試驗(yàn)測定當(dāng)OP-10乳化劑的濃度為60g/L，改變十二烷基磺酸鈉的濃度 cx（0＜cx＜100g/L），以樣管質(zhì)量無明顯變化為試驗(yàn)終點(diǎn)，記錄其清焦量及所用時(shí)間，十二烷基磺酸鈉對復(fù)配表面活性劑清焦效果的影響如圖3所示。

圖3　十二烷基磺酸鈉濃度對復(fù)配表面活性劑清焦效果的影響

從圖3中可以看出，當(dāng)復(fù)配表面活性劑十二烷基磺酸鈉濃度在50g/L以下時(shí)，其清焦量隨十二烷基磺酸鈉濃度的增加呈現(xiàn)明顯的上升趨勢；當(dāng)十二烷基磺酸鈉濃度達(dá)到50g/L時(shí)，其清焦量達(dá)到極值點(diǎn)，而隨著十二烷基磺酸鈉濃度的繼續(xù)增加，清焦量受其濃度變化的影響趨于平緩，因此確定十二烷基磺酸鈉的最佳復(fù)配濃度為 50g/L。并且，從圖 2和圖3中均可看出超聲清洗的最佳清洗時(shí)間為9h。

2.1.2堿性助劑的最佳濃度

根據(jù)堿性助劑的溶焦能力，選取氫氧化鈉與已確定的表面活性劑進(jìn)行復(fù)配，超聲清洗溫度30℃ 清洗9 h，其濃度對清洗劑清焦效果的影響見表4。

表4　不同濃度氫氧化鈉助劑對清焦效果的影響

相同的試驗(yàn)條件下，以第1組未添加堿性助劑的清焦量為基準(zhǔn)，計(jì)算并對比添加不同濃度氫氧化鈉堿性助劑后對清洗劑清焦率的影響，結(jié)果如圖4。

圖4　氫氧化鈉濃度對清洗劑清焦率的影響

由圖4中可見，添加了氫氧化鈉堿性助劑后對清洗劑的清焦效果有了明顯的提高，且隨著濃度的增加總體呈現(xiàn)先增大，后逐漸減小的趨勢。其中，第7組效果最佳，清洗率提高了12.53%，其堿性助劑的添加濃度為3g/L。

2.2清洗劑最佳濃度時(shí)復(fù)配體積比的確定

分別將濃度為60g/L的OP-10乳化劑、濃度為50g/L的十二烷基磺酸鈉、濃度為3g/L的氫氧化鈉按表5中的體積比進(jìn)行復(fù)配，各試驗(yàn)組的清洗劑復(fù)配組成見表5所示。

表5　清洗劑最佳復(fù)配組成體積比及編號

選用不同清洗劑進(jìn)行復(fù)配后，各組樣管在超聲溫度30℃下清洗9h，各組清洗劑按體積比復(fù)配后，各組試驗(yàn)中清洗劑對樣管的清焦效果見表6所示。

表6　復(fù)配清洗液對結(jié)焦換熱器的清焦效果

從表5、表6中可以看出，復(fù)配液按體積比為1∶2∶2混合后清焦率可以達(dá)到9.3%。

2.3清洗溫度的確定

按照已確定的清洗劑配方配制清洗劑，選擇超聲清洗溫度為30～80℃，時(shí)間為9h。計(jì)算不同溫度下清洗劑的清焦效果，見表7所示。清焦量隨溫度變化趨勢見圖5。

表7　不同溫度下超聲清洗9h清焦效果

圖5　清焦量隨溫度變化趨勢

從圖5中可以看出，伴隨著溫度的增加，清洗劑的清焦能力明顯增加，當(dāng)溫度達(dá)到50℃以后，其清焦率雖有增大但速率明顯減緩。

以溫度為30℃試驗(yàn)組的清焦量為基準(zhǔn)，計(jì)算并對比不同溫度對清洗劑清焦率的影響，如圖6所示。

圖6　溫度對清洗劑清焦率的影響

由圖6中可見，溫度的升高對清洗劑的清焦效果有明顯的提高，70℃時(shí)清洗率的提高最顯著，達(dá)到了8.93%；50℃試驗(yàn)組清洗率提高了8.33%。比較兩組數(shù)據(jù)，溫度提高 20℃，但清洗率只提高了0.60%。所以，綜合權(quán)衡成本和清洗效果，選取最佳清洗溫度為50℃。

3 結(jié) 論

針對各大化工廠壓縮工段間換熱器結(jié)焦的共性問題，以及現(xiàn)有高壓水和化學(xué)試劑清洗的不足，本文以貴州某合成氨公司壓縮工段級間換熱器結(jié)焦為研究對象，研究了清洗劑濃度、復(fù)配組成以及清洗的溫度對清焦效果的影響，得出如下主要結(jié)論。

（1）清洗劑最佳配比濃度：OP-10乳化劑濃度為60g/L，十二烷基磺酸鈉濃度為50g/L，堿性助劑氫氧化鈉的濃度為3.0g/L。

（2）濃度為 60g/L的 OP-10乳化劑、濃度為50g/L的十二烷基磺酸鈉、濃度為3g/L的氫氧化鈉復(fù)配組成的最佳體積比為1∶2∶2。

（3）復(fù)配清洗劑的最佳清洗溫度為50℃。

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Study on ultrasonic cleaning of ammonia compressor heat exchanger coking

TIAN Mengkui1，JIANG Ying1，WANG Jun1，WANG Guowei2，WANG Changmin2，JIAN Wanguo2
（1School of Chemical and Chemical Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，Guizhou，China；2Guizhou Kailin （GROUP）Co.，Ltd.，Kaiyang 550300，Guizhou，China）

In the operation and maintenance of ammonia synthesis process with semi-water gas，coking problem of a Guizhou company's compressor heat exchanger is one of the most prominent and urgent problem. Coking not only caused the heat transfer efficiency decrease，increased the resistance，reduced compression ratio，but also seriously affected the normal operation of production. This paper aimed at the compression section of synthetic ammonia coking phenomenon of a Guizhou company. Based on coking mechanism and composition，ultrasonic cleaning method was used. OP-10，sodium dodecyl sulfate were selected as leaning agent. Sodium hydroxide was selected as co-cleaning agent. Optimum composition and concentration of ultrasonic cleaning agent，cleaning temperature and cleaning ability were studied. Experimental results showed that the composition of the cleaning agent is 60g/L OP-10 emulsifier，50g/L sodium dodecyl sulfonate，3g/L sodium hydroxide with the volume ratio of 1∶2∶2. When the ultrasonic cleaning was performed at 50℃，the cleaning result was the best.

compressor；heat exchanger；heat transfer；surfactants；ultrasonic cleaning；cleaning agent

TQ 11

A

1000-6613（2016）08-2604-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.48

2016-01-07；修改稿日期：2016-02-04。

貴州省工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目（貴州省科技廳黔科合 GY字［2012］3052）及社發(fā)攻關(guān)項(xiàng)目（黔科合SY字［2013］3078號）及貴州科技創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)（黔科合人才團(tuán)隊(duì)（2015）4004號）。

及聯(lián)系人：田蒙奎（1978—），男，博士，教授，主要從事過程裝備、化工清潔生產(chǎn)方向研究。E-mail tianmk78@126.com。