有機(jī)酸清洗劑去除換熱設(shè)備污垢實(shí)驗(yàn)研究

張成治+胡志明

摘 要： 以A、B、C三種有機(jī)酸清洗劑為研究對(duì)象，篩選出性能較好的清洗劑并優(yōu)化其清洗工藝參數(shù)，結(jié)果表明，清洗劑C與水的體積比為1∶20、清洗溫度為20～40 ℃、清洗時(shí)間為1 h時(shí)，除垢率達(dá)97%，且對(duì)碳鋼和不銹鋼的腐蝕率為三種清洗劑中最低，滿足化學(xué)清洗對(duì)腐蝕率的要求.在此基礎(chǔ)上，建立動(dòng)態(tài)除垢實(shí)驗(yàn)裝置考察實(shí)際清洗效果，結(jié)果表明，清洗劑C實(shí)際清洗效果較好，除垢后清洗試件在管程流速分別為0.5、0.7、0.9、1.1 m·s-1時(shí)，傳熱系數(shù)分別提高6.01%、6.98%、6.93%、9.04%.

關(guān)鍵詞： 換熱設(shè)備； 污垢； 除垢； 化學(xué)清洗； 有機(jī)酸

中圖分類號(hào)： TQ 051.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： Three organic acid cleaning agents A，B and C were used for the best cleaning agent selection and the cleaning process optimization.The results showed the highest cleaning rate of 97% was achieved with the volume ratio of cleaning agent C and water of 1∶20，the temperature range of 20～40 ℃ and cleaning time of 1 h.The lowest corrosion rate of carbon steel and stainless steel was achieved，which could meet the requirements of chemical cleaning.The dynamic cleaning experiments were conducted to verify its cleaning effect.The results showed that the heat transfer coefficients increased by 6.01%，6.98%，6.93% and 9.04% after cleaning when the flow rate of the inner tube was 0.5，0.7，0.9 and 1.1 m·s-1，respectively.

Keywords： heat transfer equipment； fouling； descaling； chemical cleaning； organic acids

污垢廣泛存在于工業(yè)生產(chǎn)的諸多過程中，嚴(yán)重妨礙換熱設(shè)備的正常運(yùn)行，降低傳熱效率，增大流動(dòng)阻力，造成能源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染.全世界煉油廠每年因結(jié)垢而造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)44億美元[1-2]，我國(guó)平均每1 mm厚水垢要多消耗能源7% ～9%，換熱效率降低10%～20%.因此，對(duì)換熱設(shè)備除垢的研究日益受到人們的重視[3-4].

換熱設(shè)備的除垢根據(jù)原理可分為物理法除垢和化學(xué)法除垢[5-7].目前的物理除垢技術(shù)并不能較好地去除換熱面的污垢，特別是對(duì)于水垢和銹垢.相比物理除垢，化學(xué)清洗技術(shù)除垢率更高.隨著新型清洗劑的不斷研發(fā)，化學(xué)清洗除垢技術(shù)也在不斷提高.化學(xué)清洗是通過采用除垢劑、酸、堿、酶、螯合劑將污垢從換熱面上剝離、溶解、轉(zhuǎn)化和分散到清洗溶劑中以達(dá)到除垢的目的，其技術(shù)核心是清洗劑.目前用于除垢的清洗劑包括有機(jī)酸和無機(jī)酸，有機(jī)酸多為弱酸，對(duì)換熱設(shè)備的腐蝕率較低.采用有機(jī)酸清洗換熱設(shè)備是未來化學(xué)清洗除垢發(fā)展的方向[8-9].本文以有機(jī)酸清洗劑為研究對(duì)象，通過靜態(tài)除垢實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)除垢實(shí)驗(yàn)考察有機(jī)酸清洗劑的除垢性能以及應(yīng)用效果.

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選擇A、B、C三種清洗劑作為研究對(duì)象，去除換熱設(shè)備中常見的碳酸鈣和金屬氧化物等污垢.清洗劑是由有機(jī)酸、表面活性劑和緩蝕劑按一定配比復(fù)合而成.以上三種清洗劑分別與水混合形成具有除垢功能的清洗液，其中：清洗劑A、B均為固體顆粒，按質(zhì)量濃度計(jì)量；清洗劑C為濃縮液體，按清洗劑與水的體積比計(jì)量.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 清洗劑篩選和工藝優(yōu)化

取一段內(nèi)壁結(jié)垢的金屬管道，制作清洗試片，對(duì)其進(jìn)行表面去油和防腐蝕處理，稱重備用.將三種清洗劑按不同濃度配制成清洗液.清洗試片放入清洗液中浸泡1 h，間隔10 min取出，經(jīng)清水沖洗，無水乙醇浸泡2～3 min，放入干燥箱中20 min，取出稱重，按重量法計(jì)算除垢率.按上述實(shí)驗(yàn)得出的有效清洗濃度配制清洗液，進(jìn)行腐蝕率測(cè)試，得出三種清洗劑在有效清洗濃度下對(duì)碳鋼和不銹鋼的腐蝕率.通過上述實(shí)驗(yàn)方法，考察清洗溫度對(duì)除垢率和腐蝕率的影響，優(yōu)化清洗工藝參數(shù).

1.2.2 動(dòng)態(tài)除垢實(shí)驗(yàn)

為考察除垢效果，建立了動(dòng)態(tài)除垢實(shí)驗(yàn)裝置.應(yīng)用上述實(shí)驗(yàn)選定的清洗劑以及清洗工藝進(jìn)行動(dòng)態(tài)除垢，并測(cè)定除垢前、后換熱器的傳熱性能.動(dòng)態(tài)除垢實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示.

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由除垢試件、熱水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵、流量計(jì)、熱水箱、冷卻水箱、鉑電阻以及管道閥門等組成.除垢試件殼程為熱水，管程為冷卻水，水流方向如圖1中箭頭所示.除垢試件為結(jié)垢的螺旋槽管管殼式換熱器，試件殼體材料為普通碳鋼，規(guī)格為108 mm×8 mm；芯體內(nèi)部共有19根換熱管，規(guī)格均為14 mm×1 mm，其中中間8根為通水部分，周邊11根為不通水換熱管，換熱管傳熱部分長(zhǎng)度為1 204 mm.除垢試件換熱管內(nèi)壁結(jié)垢，污垢主要成分為碳酸鈣，實(shí)驗(yàn)主要清洗部分為換熱管內(nèi)壁污垢.

2 結(jié)果與討論

2.1 清洗劑濃度

三種清洗劑在溫度為20 ℃、清洗時(shí)間為1 h時(shí)的除垢率分別如表1、2所示.endprint

由表1、2中可知：清洗劑A（20 g·L-1）、清洗劑B（40 g·L-1）、清洗劑C（1∶20）在清洗1 h后除垢率分別為94.9%、94.8%、97.5%，除垢率均高于90%，故清洗劑A、B、C的有效清洗濃度分別為20 g·L-1、40 g·L-1、1∶20.按有效清洗濃度分別配制三種清洗液，考察三種清洗劑在20 ℃、浸泡2 h后對(duì)碳鋼和不銹鋼的腐蝕率，結(jié)果如圖2所示.由圖2中可知，清洗劑C對(duì)碳鋼和不銹鋼腐蝕率遠(yuǎn)低于A、B兩種清洗劑.

2.2 清洗溫度

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：清洗劑C在有效清洗濃度下比清洗劑A、清洗劑B對(duì)金屬的腐蝕性更低.考慮到對(duì)設(shè)備的保護(hù)，選用該清洗劑進(jìn)行清洗.考察清洗劑C在體積比為1∶20，清洗溫度分別為20、40、60 ℃時(shí)的除垢效果和腐蝕率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.從圖3中可以看出，清洗溫度分別為20、40、60 ℃時(shí)，1 h內(nèi)除垢率均能達(dá)到95%以上；當(dāng)溫度為60℃時(shí)，清洗30 min后除垢率即達(dá)到90%以上，清洗時(shí)間縮短了一半.

清洗劑的緩蝕效果也是化學(xué)清洗需要考察的重要因素.清洗劑C在體積比為1∶20，清洗時(shí)間為2 h，溫度分別為20、40、60 ℃時(shí)的腐蝕率如圖4所示.

由圖4中可以看出，腐蝕率隨清洗溫度升高而增大，在清洗溫度為60 ℃時(shí)，清洗劑對(duì)碳鋼和不銹鋼的腐蝕率明顯變高.其原因可能是60 ℃時(shí)，清洗劑中緩蝕成分失效，不能滿足緩蝕要求.因此，溫度升高雖然縮短了清洗時(shí)間，但同時(shí)清洗劑對(duì)金屬的腐蝕率也相應(yīng)增大.

2.3 實(shí)際清洗效果評(píng)價(jià)

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，清洗劑C在體積比為1∶20、清洗溫度為20～40 ℃時(shí)，除垢率和腐蝕率變化不大，清洗1 h后除垢率都達(dá)到95%以上，對(duì)碳鋼和不銹鋼的腐蝕率遠(yuǎn)低于《工業(yè)設(shè)備化學(xué)清洗質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[10]規(guī)定的6、 2 g·m-2·h-1.機(jī)械作用（流量、流速、湍流）對(duì)化學(xué)清洗速率有一定影響，但影響極低[11-12].針對(duì)清洗劑C及其由上述實(shí)驗(yàn)確定的工藝參數(shù)，按圖1中的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)清洗試件進(jìn)行了循環(huán)清洗.除垢前、后系統(tǒng)運(yùn)行工況如表3所示.

在上述實(shí)驗(yàn)工況下，除垢前、后清洗試件傳熱系數(shù)變化如圖5所示.由圖中可見，與除垢前相比，除垢后清洗試件管程流速分別為0.5、0.7、0.9、1.1 m·s-1時(shí)傳熱系數(shù)分別增加6.01%、6.98%、6.93%和9.04%.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)垢狀態(tài)下，當(dāng)管程流速為0.9、1.1 m·s-1時(shí)傳熱系數(shù)變化不大.換言之，通過增大冷卻水流量提高傳熱量，不僅消耗更多的泵功率，增加生產(chǎn)成本，而且實(shí)際效果并不明顯.

3 結(jié) 論

本文以有機(jī)酸清洗劑為研究對(duì)象，通過靜態(tài)除垢實(shí)驗(yàn)和腐蝕率測(cè)試篩選出性能較好的清洗劑并優(yōu)化其清洗工藝.建立動(dòng)態(tài)除垢實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用效果研究.研究結(jié)果表明：

（1） 清洗劑C與水的體積比為1∶20、清洗溫度為20～40 ℃時(shí)，除垢率達(dá)97%，碳鋼腐蝕率低于6 g·m-2·h-1，不銹鋼腐蝕率低于2 g·m-2·h-1，滿足化學(xué)清洗要求.

（2） 動(dòng)態(tài)除垢實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)酸化學(xué)清洗效果較好，除垢后試件在本文實(shí)驗(yàn)工況下傳熱系數(shù)提高6%～9%.

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊善讓，孫靈芳，徐志明.換熱設(shè)備污垢研究的現(xiàn)狀和展望[J].化工進(jìn)展，2004，23（10）：1091-1098.

[2] MAIRAL A P，GREENBERG A R，KRANTZ W B，et al.Realtime measurement of inorganic fouling of RO desalination membranes using ultrasonic timedomain reflectometry[J].Journal of Membrane Science，1999，159（1-2）：185-196.

[3] ANTAR M A，ZUBAIR S M.The impact of fouling on performance evaluation of multizone feedwater heaters[J].Applied Thermal Engineering，2007，27（14-15）：2505-2513.

[4] 王睿，丁潔，沈自求，等.換熱設(shè)備的結(jié)垢機(jī)理研究現(xiàn)狀[J].化工進(jìn)展，1999（3）：31-35.

[5] 何俊，趙宗澤，李躍華，等.物理方法除垢阻垢技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].工業(yè)水處理，2010，30（9）：5-9.

[6] 孫津鴻.工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)除垢方法實(shí)驗(yàn)研究[D].天津：天津大學(xué)，2013.

[7] JAMIALAHMADI M，MULLERSTEINHAGEN H.Heat exchanger fouling and cleaning in the dihydrate process for the production of phosphoric acid[J].Chemical Engineering Research and Design，2007，85（2）：245-255.

[8] 楊興武.有機(jī)酸清洗劑及其應(yīng)用[J].洗凈技術(shù)，2003（4）：35-39.

[9] 肖瀟.工業(yè)清洗劑的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].清洗世界，2011，27（7）：22-27，33.

[10] HG/T 2387—2007.工業(yè)設(shè)備化學(xué)清洗質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[11] JENNINGS W G.Theory and practice of hardsurface cleaning[J].Advance in Foods Research，1965，14：325-458.

[12] SCHLUSSER H J.Zur Reinigung fester oberflchen in der lebensmittel industrie[J].Milchwissenschaft，1970，25（3）：133-149.endprint