化工設(shè)備垢體定性定量分析及清洗方案試驗(yàn)研究

張潔風(fēng)

摘 要：通過進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室垢體定性和定量分析試驗(yàn)，本文確定了垢體組成及各組分含量，選用合適溶劑對(duì)垢體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室溶解試驗(yàn)，運(yùn)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐中垢體清洗方案的制定與實(shí)施。

關(guān)鍵詞：定性分析;定量分析;溶解試驗(yàn);清洗方案

中圖分類號(hào)：TK172;TB490 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）20-0118-03

Qualitative and Quantitative Study of Scale in Chemical

Equipment and Test of Cleaning Scheme

ZHANG Jiefeng

（Safety Technology Service Co.， Ltd. of Henan Academy of Safety Science and Technology，Zhengzhou Henan 455000）

Abstract： Through qualitative and quantitative analysis of scale in laboratory， this paper determined the composition of scale and the content of each component. The appropriate solvent was selected to carry out the dissolution test of scale in laboratory， and the experimental data were used to guide the formulation and implementation of scale cleaning scheme in production practice.

Keywords： qualitative analysis;quantitative analysis;dissolution test;cleaning scheme

化工企業(yè)存在各種各樣的水冷卻設(shè)備、水循環(huán)設(shè)備和換熱設(shè)備，由于水質(zhì)、運(yùn)行環(huán)境和操作條件的影響，它們會(huì)經(jīng)常結(jié)垢。水運(yùn)行設(shè)備或系統(tǒng)被水垢堵塞，可能造成設(shè)備設(shè)施運(yùn)行效率降低、能耗增加、壽命縮短，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)、停車、設(shè)備設(shè)施報(bào)廢、發(fā)生生產(chǎn)安全事故等后果[1，2]。為了給結(jié)垢設(shè)備選擇適宜的清洗試劑并制定清洗方案，人們需要先了解各種設(shè)備設(shè)施垢體的真實(shí)組成，并針對(duì)垢體選擇和制定有效的除垢方案，其間需要進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。

1 方案設(shè)計(jì)思路

化工企業(yè)設(shè)備設(shè)施垢體性質(zhì)與使用介質(zhì)、環(huán)境等操作條件存在很大關(guān)系，想要找到清洗效果好、有針對(duì)性的清洗劑，人們需要了解垢體的基本組成，而垢體組成直接由生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)物料決定。因此，人們需要了解生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)過程中設(shè)備設(shè)施所接觸的物料組成，從而推斷垢體的可能組成并通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)進(jìn)一步確定垢體各組分及含量，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)分析結(jié)果選取合適的清洗劑，對(duì)設(shè)備設(shè)施垢體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室溶解試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果制定生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)清洗方案。

2 方案實(shí)施過程

2.1 清洗設(shè)備選取

本研究選擇某化工企業(yè)供水車間循環(huán)水加壓泵垢體作為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)水泵垢體進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，探討和確定清洗方案。該企業(yè)供水車間循環(huán)水加壓泵主要作用是向生產(chǎn)主裝置提供循環(huán)冷卻水，作用是平衡全廠生產(chǎn)、生活用水、保證水池水位及用水壓力，通過泵體的水主要是幾個(gè)生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)循環(huán)水。2018年3月，使用該循環(huán)水的幾個(gè)崗位反映循環(huán)水水量小，接到反映后，生產(chǎn)調(diào)度和供水車間立即進(jìn)行了供水方案調(diào)整，但是調(diào)整供水方案后效果仍不理想，同時(shí)，各使用單位均反映換熱器及供水管線內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重，并且供水加壓泵檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)葉輪及流道內(nèi)結(jié)垢，垢體最厚處達(dá)15mm。企業(yè)對(duì)此展開了一系列的分析討論會(huì)，在明確了垢體形成原因后，需要對(duì)生產(chǎn)設(shè)備垢體進(jìn)行清除，及時(shí)恢復(fù)生產(chǎn)，為此企業(yè)考慮先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，了解垢體性質(zhì)，以選取有效的清洗劑。

分析垢體為企業(yè)送檢樣品，為了探析和掌握垢體成分、選擇合適的清洗劑，首先結(jié)合企業(yè)工藝流程對(duì)樣品進(jìn)行了初步分析，在考慮垢體可能存在的物質(zhì)組分基礎(chǔ)上對(duì)垢體進(jìn)行定性分析和實(shí)驗(yàn)室溶解垢樣試驗(yàn)。因此，筆者對(duì)減壓泵泵體中的結(jié)垢成分進(jìn)行了系統(tǒng)綜合的分析測(cè)定和多方驗(yàn)證，并做了科學(xué)詳細(xì)的溶解試驗(yàn)，取得了滿意的效果。

2.2 試驗(yàn)過程

對(duì)于一個(gè)未知試樣，人們首先需要知道它是什么物質(zhì)，這就需要對(duì)其進(jìn)行定性分析，了解該物質(zhì)含有哪些元素、離子或官能團(tuán)等，然后推斷可能存在的物質(zhì)。針對(duì)推斷出的物質(zhì)，人們可以制定合適的定量分析方法，通過定量分析獲得各物質(zhì)在試樣中的含量，根據(jù)定性定量分析結(jié)果，選擇有針對(duì)性的溶劑對(duì)試樣進(jìn)行溶解試驗(yàn)。

2.2.1 垢樣的定性分析。觀察外觀可知，樣品為塊狀固體，呈淺灰色，無味;取具有代表性的樣品制取分析試樣，稱取一定量分析試樣用水溶解后過濾，濾液顯堿性（pH>7）;濾渣為水不溶物，經(jīng)烘干后稱量，含量為試樣的98.3%。

根據(jù)以上分析結(jié)果，結(jié)合生產(chǎn)中加壓水泵水的來源和流向及可能接觸到的物料，考慮垢體可能存在NH4+、CO32+、Ca2+、Mg2+離子，對(duì)垢體可能存在的離子進(jìn)行定性分析，分析過程如下。

2.2.1.1 NH4+離子定性。取少許研磨為一定粒度的試樣放于燒杯中，加入適量堿液，將貼有pH試紙的表面皿蓋在燒杯上，放在電爐上加熱，觀察pH試紙變色情況，結(jié)果是樣品蒸汽使pH試紙顯示堿色（pH>7），由于企業(yè)是合成氨生產(chǎn)企業(yè)，因此筆者判斷垢體中有NH4+存在。

2.2.1.2 CO32+離子定性。在小節(jié)2.2.1.1中，垢體直接用水溶解幾乎不溶，因此取適量研細(xì)后的垢樣用1∶1鹽酸溶液溶解，垢樣幾乎全溶，而且溶解過程中有大量氣泡產(chǎn)生，將此氣體收集并導(dǎo)入石灰水中，石灰水立刻渾濁，證明溢出氣體為CO2，初步判斷垢樣為碳酸鹽類，分析結(jié)果為有CO32+存在。

2.2.1.3 Ca2+、Mg2+離子定性。取適量研細(xì)試樣用1∶1鹽酸溶解后儲(chǔ)存，供Ca2+、Mg2+定性分析用。吸取適量1∶1鹽酸溶解后溶液，用1∶1氫氧化鉀溶液調(diào)溶液pH=12，加鈣試劑，溶液顏色變?yōu)榫萍t色，說明有Ca2+存在。另取適量1∶1鹽酸溶解后垢樣溶液，用1∶1氫氧化鉀溶液調(diào)溶液為堿性，加入鎂試劑Ⅰ，溶液出現(xiàn)微弱的藍(lán)色沉淀，表示有少許Mg2+存在。

2.2.2 垢樣的定量分析。通過定性分析和對(duì)生產(chǎn)工藝的了解，本研究基本掌握了垢體的主要成分為碳酸鹽類，在定性分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備儀器和藥品試劑等試驗(yàn)條件，確定了定量分析方案及相應(yīng)的分析測(cè)試方法[3，4]。本次探討運(yùn)用經(jīng)典容量分析方法中的滴定法進(jìn)行垢樣的定量分析。

2.2.2.1 碳酸根（CO32+）定量分析。測(cè)定原理：試樣用過量的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液溶解，過量的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液返滴定。根據(jù)分析過程消耗的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液、氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)的體積和物質(zhì)的量濃度計(jì)算垢樣中CO32+的含量。

測(cè)定步驟：稱取用瑪瑙研缽研細(xì)并通過100目篩的垢樣0.3g，稱準(zhǔn)至0.000 2g，置于250mL三角瓶中，加入50mL 0.5mol/L的HCl溶液至垢樣完全溶解，加1～2滴0.5%的酚酞指示劑，用0.5mol/L NaOH標(biāo)液返滴定至指示劑顏色由無色變成紅色。分析結(jié)果計(jì)算如下。

CO32+含量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）按式（1）計(jì)算：

[CO2+3%=C1V1-C2V2×0.030m×100]? ? ? ? （1）

式中，[C1]為加入過量鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的物質(zhì)的量濃度，mol/L;[V1]為加入過量鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL;[V2]為返滴定消耗氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液物質(zhì)的量濃度，mol/L;[V1]為返滴定消耗氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL;[m]為稱取垢樣的質(zhì)量，g;0.030為CO32+的摩爾質(zhì)量，g/mol。

CaCO3含量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）計(jì)算公式如下：

[CaCO3%=C1V1-C2V2×0.050m×100]? ? ? ?（2）

式中，0.050為1/2 CaCO3的摩爾質(zhì)量，g/mL;其他同式（1）。

對(duì)垢樣進(jìn)行了三次平行測(cè)定，計(jì)算結(jié)果如表如1所示。

在定性的基礎(chǔ)上，通過CO32+的測(cè)定，初步判定垢體絕大部分是CaCO3，少量可能為（NH4）2CO3、MgCO3和水不溶物。

2.2.2.2 Ca2+定量分析。測(cè)定原理：垢樣用適量的1∶1鹽酸溶液溶解完全，在pH=12的溶液中用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定試樣溶液中的Ca2+，以鈣試劑指示滴定終點(diǎn)，鈣試劑由酒紅色變?yōu)樗{(lán)色即為終點(diǎn)。

測(cè)定步驟：稱取經(jīng)研細(xì)并通過100目篩的垢樣0.1g，稱準(zhǔn)至0.000 2g，置于250mL三角瓶中，用5mL 1∶1的鹽酸溶液溶解垢樣，然后用1∶1氫氧化鉀溶液調(diào)樣液至pH=12，加入鈣指示劑少許，用0.05mol/L的EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴至溶液由酒紅色變成藍(lán)色。分析結(jié)果計(jì)算如下。

Ca2+含量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）按式（3）計(jì)算：

[Ca2+%=CV×0.040m×100]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，[C]為EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液物質(zhì)的量濃度，mol;[V]為滴定消耗EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL;[m]為稱取垢樣的質(zhì)量，g;0.040為Ca的摩爾質(zhì)量，g/mol。

CaCO3含量（質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)）按式（4）計(jì)算：

[CaCO3%=CV×0.10m×100]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中，0.10為CaCO3的摩爾質(zhì)量，g/mol;其他同式（3）。

對(duì)垢樣進(jìn)行了三次平行測(cè)定，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

小節(jié)2.2.2.1和2.2.2.2中，Ca2+和CO32-的定量分析結(jié)果顯示，CaCO3含量分別為98.27%、98.16%，兩種方法的絕對(duì)誤差為0.11%，在誤差允許范圍內(nèi)。兩種方法相互驗(yàn)證，進(jìn)一步說明垢體大部分是CaCO3，可能還有少量（NH4）2CO3、MgCO3和水不溶物，進(jìn)一步為垢樣的溶解試驗(yàn)提供了科學(xué)依據(jù)。

2.2.3 垢樣的溶解試驗(yàn)。通過系列的定性、定量分析掌握了垢體的成分和含量，其主要成分為碳酸鈣，其合適的溶劑應(yīng)為鹽酸和硝酸，而硝酸的酸性較強(qiáng)又具有氧化性，對(duì)泵體腐蝕也較嚴(yán)重。因此，確定鹽酸作為溶解垢體的試驗(yàn)溶劑，以此展開實(shí)驗(yàn)室溶解試驗(yàn)。

試驗(yàn)步驟：稱取未經(jīng)處理的泵體原始垢樣10g，稱準(zhǔn)至0.1g，放入250mL燒杯中，將工業(yè)用鹽酸（濃度36%）進(jìn)行不同濃度的配比，以10mL為單位逐次加到燒杯中進(jìn)行垢樣溶解試驗(yàn)，直至溶解完全，杯口蓋上表面皿防止鹽酸揮發(fā)，記下消耗的溶劑鹽酸的體積以及溶解完全所需的時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可得，為了達(dá)到清除垢體、不腐蝕設(shè)備而且清除時(shí)間較短的目的，可以采用3.0%～4.0%的鹽酸溶液作為清洗劑將垢體快速而完全清除掉。實(shí)際應(yīng)用中需要加入一定量的緩蝕劑來降低鹽酸對(duì)泵體的腐蝕。

3 結(jié)語(yǔ)

此試驗(yàn)采用的方法較為簡(jiǎn)單，在試驗(yàn)過程中采用常規(guī)的儀器和藥品，操作簡(jiǎn)便易行，結(jié)果精確可靠。通過定性定量分析確定該垢體由CaCO3、MgCO3、（NH）2CO3等組成，主要成分為CaCO3，選用鹽酸作為清洗劑進(jìn)行溶解試驗(yàn)，溶解效果較好。實(shí)驗(yàn)室的分析結(jié)果為順利安全檢維修和清洗垢體方案的制定與實(shí)施提供了科學(xué)的依據(jù)和指導(dǎo)建議，通過實(shí)際運(yùn)用取得了良好的效果，保障了企業(yè)工藝生產(chǎn)的連續(xù)、均衡、穩(wěn)定和長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。本試驗(yàn)還可推廣到其他設(shè)備垢體的分析及清洗方案制定中，為企業(yè)探索更好的操作條件和設(shè)備設(shè)施的清洗方案，保障設(shè)備長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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