填料塔污垢分析及清洗方式的制定

周梅，蔡曉君，楊二帥，王麗萍，張帥，高少博

填料塔污垢分析及清洗方式的制定

周梅，蔡曉君，楊二帥，王麗萍，張帥，高少博

（北京石油化工學(xué)院， 北京 102617）

在簡要論述填料塔污垢危害的基礎(chǔ)上，采用多種電子檢測方法，對填料塔污垢的成分進(jìn)行了精確的分析，并對結(jié)垢機(jī)理進(jìn)行了說明論述。通過對填料塔污垢的結(jié)垢、溶垢實驗，可知物料的成分、濃度以及填料材質(zhì)對垢層厚度均有一定影響。填料塔中的高分子聚合物污垢成分復(fù)雜，結(jié)垢厚度不一，不溶于水并且不易與設(shè)備表面分離，所以清洗方式根據(jù)物理清洗與化學(xué)清洗的技術(shù)特點(diǎn)，選用化學(xué)清洗，為清洗效果更佳同時結(jié)合物理清洗方式進(jìn)行。通過此論述可定制填料塔的清洗方式，以及對深入了解填料塔污垢結(jié)垢機(jī)理有較好的參考價值。

填料塔；污垢；化學(xué)清洗

填料塔目前應(yīng)用廣泛，隨著頻繁地使用與加工，日積月累后有污垢堵塞，使設(shè)備效率低下，運(yùn)轉(zhuǎn)不順暢或出現(xiàn)其他異常情況影響工廠經(jīng)濟(jì)效益，因此，目前針對填料塔的清洗工藝至關(guān)重要，關(guān)乎著填料塔未來的發(fā)展應(yīng)用，定期對填料塔進(jìn)行清洗是十分必要的。然而，目前所采用的清洗針對性差、清洗配方對環(huán)境有害、費(fèi)用高、工序復(fù)雜。所以本文經(jīng)過對比各類清洗工藝從而制定經(jīng)濟(jì)高效的清洗方式，達(dá)到環(huán)保清洗的目的。

1 污垢成分分析

1.1 垢樣類型

原油為石化生產(chǎn)的原料，其成分復(fù)雜。工廠生產(chǎn)出化肥、塑料、化工、化纖、橡膠等多種產(chǎn)品的同時,設(shè)備與管道難免積聚污垢，在不同環(huán)境和溫度下生產(chǎn)的設(shè)備會聚集不同類型污垢[1-4]。

由于所取垢樣在裂解車間形成，故污垢形成的溫度應(yīng)該在100~300 ℃范圍內(nèi)生成。又裂解車間多為高分子聚合物，所以該污垢的范圍可縮小為焦油垢或膠油垢或膠油垢與焦油垢的混合體，因為污垢樣品并非為膠體，所以該污垢很可能為焦油垢，同時不排除焦油垢與膠油垢的混合體[5]。

1.2 污垢樣品檢測

固體樣品溶解后用GC-MS檢測，GC-MS只能檢出分子量低于450的小分子物質(zhì)，大分子的物質(zhì)無法檢測，檢出濃度最大的8種物質(zhì)如表1所示。

X射線光電子能譜（XPS）分析：所含的元素為N，C，O，具體檢測結(jié)果如圖1所示。

其中N元素含量非常低，N：0.0004，C：1.0303，O：0.1163。

傅里葉紅外分析（IR），檢測結(jié)果如圖2所示。

由圖可知：3 412 cm-1可能屬于羥基（-OH），2 065 cm-1可能屬于炔烴，1 638 cm-1可能屬于雙鍵，1 617 cm-1可能屬于苯環(huán)，1 112 cm-1可能屬于C-C單鍵，主要元素為C，O，可能含有：醇、炔烴、芳烴以及烷烴等。

表1 GC-MS檢測結(jié)果

圖1 XPS分析結(jié)果

圖2 IR分析結(jié)果

2 結(jié)垢機(jī)理分析及結(jié)垢實驗

2.1 結(jié)垢機(jī)理分析

原油中有易產(chǎn)生自由基的物質(zhì)。由于微量氧的存在，引發(fā)交聯(lián)聚合物形成，在氧、過氧化物及鐵氧化物的催化作用下，發(fā)生如圖3反應(yīng)[6,7]：

圖3 催化反應(yīng)

丁二烯具有活潑性，在有氧時受熱時，系統(tǒng)內(nèi)的氧與丁二烯反應(yīng)，先過氧化再自聚為丁二烯過氧化自聚物。苯乙烯[8]具有熱引發(fā)自聚合的特性，而丁二烯是一種易與苯乙烯發(fā)生共聚合的物質(zhì)，所以苯乙烯對丁二烯的聚合具有誘導(dǎo)作用[9]。因此，從理論上可知，高分子聚合物為污垢主要成分，有必要對污垢的結(jié)構(gòu)過程進(jìn)行實驗，找出結(jié)垢的主要影響因素，并對應(yīng)制定清洗方式。

2.2 結(jié)垢實驗

模擬裂解車間填料塔的工作環(huán)境，以及最易結(jié)垢的成分分別對陶瓷拉西環(huán)，鮑爾環(huán)，鞍形環(huán)進(jìn)行結(jié)垢實驗?？紤]到實驗室條件有限，遂將填料浸泡在急冷油內(nèi)，在恒溫加熱平臺上以220 ℃溫度進(jìn)行加熱，平均每次加熱6 h，共加熱20 h，冷卻后，急冷油黏度提高，接近凝固狀，同時做了一組急冷油與重柴油的混合結(jié)垢實驗，比例為60 mL急冷油20 mL重柴油，高溫下模擬，起初會有氣泡在混合液內(nèi)生成，隨著加熱時間增加，無氣泡生成，后冷卻，混合液黏度增加，較未加熱前急冷油粘稠，如圖4所示。

圖4 結(jié)垢實驗

并且，隨著每次6 h加熱，每次中間冷卻后，混合液粘稠度較上一次明顯增大，又做了一組急冷油，重柴油和污垢樣品的混合實驗組，急冷油與重柴油的比例同上，增加了20 g的污垢樣品，實驗如圖5所示。

該組所用填料為燕山石化填料塔內(nèi)的金屬填料，相同加熱溫度下持續(xù)加熱20 h，隨著污垢的溶解，溶液黏度明顯增加，20 h后冷卻取出填料，三組取出的填料如圖6所示。

圖5 混合實驗組

圖6 結(jié)垢后的填料

如圖6所示，盡可能的模擬了塔板的形式，同時將填料安放在塔板上進(jìn)行冷卻，冷卻6 h后，填料上污垢基本成型，觸碰不會出現(xiàn)污垢變形，黏附的現(xiàn)象，其中最深色填料為純急冷油結(jié)垢組，該組的填料結(jié)垢層較厚達(dá)到3 mm。并且結(jié)垢均勻，但在填料與塔板的接觸處結(jié)垢較厚。燕山石化取回的填料表面結(jié)垢較少且均勻，因溶液配制加入了污垢樣品，因此填料表面會有顆粒雜質(zhì)的存在。同樣，填料與塔板的接觸處結(jié)構(gòu)較厚，厚度明顯小于純急冷油組，急冷油與重柴油混合組填料表面結(jié)垢最薄，填料與塔板接觸處結(jié)垢厚度略厚于燕山組。

由實驗可知結(jié)垢的厚度與填料的材質(zhì)有關(guān)，金屬表面結(jié)垢更少；與污垢溶液的濃度和配比有關(guān)，急冷油相對含量越高，結(jié)垢越多，且垢體硬度更大，不易清除；與填料在塔板上的形狀有關(guān)，與塔板的接觸面積越小，填料上的結(jié)垢量越小，厚度越薄，結(jié)垢越均勻。

3 填料塔清洗方式的制定

現(xiàn)在主要有物理清洗法和化學(xué)清洗法兩種清洗方式，清洗方式的制定要考慮到機(jī)械設(shè)備的材質(zhì)以及污垢形成的原因[10-12]。由于填料塔中的高分子團(tuán)垢成分復(fù)雜，垢質(zhì)較硬，不溶于水并不易與設(shè)備表面分離，所以清洗方式選用化學(xué)清洗[13]。為清洗效果更佳同時結(jié)合物理清洗方式進(jìn)行。

3.1 清洗方案

清洗溫度為30 ℃，清洗液配方為乳化劑 AEO3（5％）表面活性劑JFC（10％）重柴油（50％）的混合溶液。乳化劑AEO3具有親油性，能增強(qiáng)某些物質(zhì)在有機(jī)溶劑中的溶解度。表面活性劑JFC的作用是降低液體表面張力，產(chǎn)生濕潤、滲透、去污和發(fā)泡的效果，使設(shè)備表面的油污和固體污粒更容易脫落進(jìn)入清洗液中。

3.2 清洗流程

系統(tǒng)中主要包含待清洗設(shè)備填料塔、氣泵、過濾槽、攪拌槽、儲液罐以及閥門管路等清洗設(shè)備。

（1）首先進(jìn)行沖洗30min，將污垢表面部分附著物沖洗凈，以便進(jìn)行下一步清洗劑與污垢的反應(yīng)接觸。

（2）將清洗劑引入攪拌槽中進(jìn)行攪拌，攪拌30~40 min后，等待下一步操作。

（3）經(jīng)攪拌后清洗劑自塔上而下噴淋，清洗塔盤壁或填料，然后，開啟氣泵進(jìn)行打氣，在塔內(nèi)形成氣液循環(huán)清洗；清洗30~40 min后，關(guān)閉氣泵，由管子引出清洗液。

（4）清洗液被入過濾槽后進(jìn)行兩次過濾，再用水油分離紙，進(jìn)行水油分離。水油分離后進(jìn)入儲液罐，關(guān)閉外來清洗液，建立清洗循環(huán)。

（5）清洗劑清洗過后難免會有少量殘液殘留，所以再次進(jìn)行水洗30 min。為加強(qiáng)水洗效果，略開氣泵吹氣，使用清水反復(fù)沖洗，將殘存廢液及污垢殘渣清洗干凈。

3.3 清洗效果測定

（1）對比清洗前后填料塔工作效率。

（2）清洗廢液水質(zhì)成分化驗分析。

（3）填料塔部分填料拆裝檢查。

4 結(jié)束語

石化生產(chǎn)過程中，設(shè)備與管道難免會生成和積聚各類污垢，本文分析的污垢是由于在裂解車間形成，多為高分子聚合物。通過固體樣品溶解后用GC-MS檢測，和X射線光電子能譜（XPS）分析后進(jìn)行了結(jié)垢實驗。得知結(jié)垢的厚度與填料的材質(zhì)、急冷油相對含量和填料在塔板上的形狀有關(guān)，并根據(jù)此而制定了物理化學(xué)結(jié)合的清洗方式。

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Fouling Analysis and Cleaning Ways of Packing Tower

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（Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China）

On the basis of discussing the fouling hazard of packing tower, a variety of electronic detection methods were used to accurately analyze fouling components of the packing tower, and the fouling mechanism was also described. Through the dirt fouling and dissolve experiments, we can see that the composition, concentration and filler material have a certain influence on the fouling layer thickness. In the packing tower, the high-molecular polymer fouling composition is complex, fouling thickness varies, and it is insoluble in water and is not easily separated from the surface of the device. Therefore, the cleaning method should be chosen according to its technical characteristics. In order to obtain better cleaning effect, the physical cleaning method should be used as a auxiliary method.

Packing tower;Fouling;Chemical cleaning

TE 962

A

1671-0460（2017）12-2515-03

北京市自然科學(xué)基金資助項目，項目號：3132010。

2017-03-09

周梅（1993-），女，內(nèi)蒙古自治區(qū)人，在讀碩士研究生，就讀北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程專業(yè)，研究方向：從事化工設(shè)備方向的研究工作。E-mail：linux5200@sina.cn。

蔡曉君（1963-），女，教授，碩士，研究方向：從事化工設(shè)備方向的研究工作。E-mail：caixiaojun@bipt.edu.cn。