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碳酸钾换热器中物料垢的成因及清洗点击：1826 日期：[ 2014-04-26 22:13:42 ] |
| 碳酸钾换热器中物料垢的成因及清洗 1.陈世前 1..罗自琴 2.王东林 (1.兰州石化职业技术技术学院,甘肃兰州730060;2.天华化工机械及自动化研究设计院,甘肃兰州730060) 摘要：碳酸钾生产装置中的物料垢经过低真空扫描电子显微镜Ｘ射线能量散谱仪进行表面形貌的观察和元素组成的分析后,明确了其形成原因及清洗过程,表明污垢的形成与原料的产地及所含阴离子的种类、工艺过程的温度以及树脂有关。 关键词：碳酸钾;物料垢;化学清洗 中图分类号：ＴＥ965 文献标识码:Ｂ 兖矿鲁南化肥厂化工分厂生产的主要产品为碳酸钾,年产量为5万吨。产品的市场占有率为国内第一。碳酸钾主要用于彩电的荧光屏、电脑显示器屏幕的生产以及医药、其他化工产品的生产中,为了控制优级品中铁离子的含量因而其生产工艺流程中的设备、管道、阀门全部采用不锈钢。材质以1Ｃｒ18Ｎｉ9Ｔｉ,18-8为主。列管式换热器又为流程中主要的热交换设备,其换热效率的高低,直接影响到产品的质量和产量。生产碳酸钾的主要原料为氯化钾和树脂。整个工艺流程为厂方自行开发研制。 1 污垢成分分析 由于列管式换热器在使用过程中经常结垢,需安排停车进行化学清洗,恢复换热器的换热效率。但是每次进行化学清洗之后效果不是很理想。为此,有必要对换热器的污垢成分进行全面、详细的分析。找到一种经济合理、彻底有效的清除方法。 进行污垢成分分析的管段由厂方提供。 根据厂方提供的含有污垢的管段,分割成数个小段,每段长度约为1ｃｍ,进行溶解试验,筛选有效的清洗剂。选用常规化学清洗中通常采用的药剂配比,即:8%ＨＮＯ3+0.25%Ｌａｎ826,40℃,8ｈ,恒温浸泡。在此条件下,污垢的溶解速度非常缓慢。因而要针对性的选择适合的清洗药剂。 在管段的横截面上,直观的看到污垢的层状分布。使用ＪＳＭ—5600Ｌｖ低真空扫描电子显微镜Ｘ射线能量散谱仪,进行表面形貌的观察和元素组成分析。ＳＭＥ分辨率:3.5ｎｍ,ＥＤＳ分辨率:131.7ｅｖ。 根据管段横截面上污垢的分布特征,确定了扫描点。 由测出的元素组成分析,Ｃ、Ｏ、Ｃａ、Ｍｇ的重量相对较大,这与工艺条件有关,氯化钾、树脂的溶液(母液)通过列管时,水中的Ｃａ2+、Ｍｇ2+离子受热后以ＣａＣＯ3、Ｍｇ(ＯＨ)2形式沉积下来,同时工艺介质中的树脂参与了垢的形成。Ｎａ、Ａｉ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｋａ、Ｆｅ的重量相对较小。表明污垢的成分与溶液中所含杂质离子的种类和数量有关。由于整个碳酸钾生产工艺流程是由厂方自主研发的,而树脂又是作为载体参与复分解反应过程,因此它的结构和性能厂家是严格保密的,同时搀杂在污垢中的树脂颗粒又极其微小,即使电镜扫描也不足以能确定其结构。根据污垢的外观和溶解性能又可以判断污垢的类型不是常见的水垢,而是由工艺介质共同参与后形成的物料垢。 2 污垢成因分析 通过污垢溶解试验和电镜的扫描分析,根据碳酸钾生产的工艺条件,即氯化钾水溶液与树脂在加热的条件下发生复分解反应,再通过浓缩、结晶而得到产品。在此过程中,列管式换热器沉积物料垢的形成原因如下: 1)因为生产的产品对铁离子含量有严格的要求,设备都采用不锈钢制造。但是生产工艺中的原料为氯化钾和树脂,大量的氯离子对设备的腐蚀比较明显,导致列管式换热器列管内表面的点蚀、坑蚀,即不锈钢的晶间腐蚀非常普遍。对已经清除污垢后的列管内表面的局部用电镜扫描,可清晰的看到这一现象。由于氯离子的存在,造成列管内表面的表面粗糙,严重的造成腐蚀穿孔,从更换下来的换热器可实际证明这类现象。 2)在生产碳酸钾的工艺中,原料氯化钾的来源也是影响因素。氯化钾的产地,国外的有俄罗斯、约旦、巴基斯坦;国内的有海南、青海等地。因其产地的不同,杂质离子的种类和数量差别非常明显。因为生产工艺中仅仅只对原料中的阳离子(主要是钠)有严格的要求,对阴离子部分无明确要求,因而造成了原料的产地不同,在设备内形成的物料垢就表观为组成和外观不同。这个现象从厂方提供的含垢管段的横截面上就可以直观的观察到。 3)水中的Ｃａ2+、Ｍｇ2+离子,它们的溶解度随温度的升高而降低。当氯化钾水溶液与加热表面接触,温度超过了这些化合物固有的溶度积时,钙、镁盐便沉积在加热表面上。据测定,水中碳酸盐结垢受温度影响很大,在55℃以下,结垢速度是缓慢进行的;当水温大于55℃时,碳酸钙就急剧析出。 4)生产工艺中采用的树脂,由于技术保密的原因,仅用代号101、103、105、107表示,具体的理化性能不详细。而碳酸钙水垢通常以致密的结晶沉淀在加热器表面,当水温在加热面超过100℃时,ＣａＣＯ3沉淀是海绵状的絮状体。由于壳程的加热温度在120℃,树脂的微小颗粒进入絮状体内共同沉积在换热器的表面,形成的物料垢非常致密坚硬而且用常规化学清洗的药剂难以清除。 3 化学清洗 根据厂方提供的含垢管段,经多次筛选后,确定了具体的化学清洗工艺方案。清洗剂有主剂、辅助药剂、缓蚀剂、渗透剂、分散剂复配而成。 具体的药剂组成和试验条件如下。 Ａ:8%ＨＮＯ3+0.25%Ｌａｎ826,40℃,8ｈ; Ｂ:8%ＨＮＯ3+1%ＨＦ+0.25Ｌａｎ826,40℃,8ｈ; Ｃ:8%Ｃ6Ｈ8Ｏ7+0.1%ＪＦＣ+0.05%Ｌａｎ826,调节ｐＨ3～4,90℃,8ｈ; Ｄ:8%Ｃ2Ｈ2Ｏ4+0.1%ＪＦＣ+0.25Ｌａｎ826,调节ｐＨ2～3,80℃,8ｈ; Ｅ:6%ＨＮＯ3+1%ＨＦ+0.1%ＪＦＣ+0.5%ＡＴ+0.5%ＨＭ+0.25%Ｌａｎ826,室温,8ｈ; 分别对比五个方案的溶垢率,方案Ａ的溶垢率小于5%,方案Ｂ的溶垢率小于20%,方案Ｃ、Ｄ的溶垢率小于10%,方案Ｅ的溶垢率大于80%,最终确定实施Ｅ方案。 在现场,分别对二、四车间的各一台换热面积为200ｍ2的列管式换热器进行了化学清洗。具体的清洗流程采用循环加浸泡的常规化学清洗方式进行。清洗槽容积1ｍ3;清洗用泵的流量25ｍ3/ｈ;扬程32ｍ。临时管线用32ｍｍ的橡胶管联结。为保证清洗效果,清洗液体的温度维持在40～50℃,循环2ｈ后浸泡1ｈ,整个清洗用时间为24ｈ。清洗过程的腐蚀监控采用同材质挂片法监测腐蚀率。 在清洗过程结束后打开换热器的上、下封头,进行现场验收。 四车间换热器的底部,留有一定量的白色沉积物,在酸、碱溶液中均不溶解,判断是原料中的硫酸盐或硅酸盐造成的。二车间换热器中留有一定量的红褐色沉积物,疏松的附着在列管内表面,采用水冲洗和人工清理后,类似于管段的垢样从设备内部被冲刷出来,在酸、碱溶液中也不溶解,根据外观和颜色判断是工艺介质中的树脂。 计算除垢率大于95%,清洗过程的腐蚀率小于1ｇ/ｃｍ2·ｈ,优于《工业设备化学清洗质量标准》规定的指标。 4 结论和讨论 碳酸钾生产工艺中出现的污垢经分析后可认为是物料垢,是由于介质在通过列管式换热器受到蒸汽加热后沉积而成的。根据厂方提供的含垢管段和实际生产工艺条件可认为: 1)在生产工艺条件下,氯离子对设备的腐蚀是不可避免的,大量的氯离子造成列管内表面粗糙不平,在外部受热的情况下,易造成物料垢的沉积。 2)原料的产地不同,生成的物料垢化学组成、外观不尽相同。 3)在稳定的生产工艺条件下,树脂与水中的Ｃａ2+、Ｍｇ2+离子的盐类混合沉积,形成了难溶的污垢。 4)由于物料垢的组成随原料的杂质离子的含量不同波动很大,同时树脂参与,因而此种物料垢的清除过程所选用的药剂及浓度、清洗工艺的温度、清洗时间也各不相同。在施工前应制定合理的方案。 5)根据碳酸钾的生产工艺,建议增加离子交换树脂脱除工艺用水中的Ｃａ2+、Ｍｇ2+离子,减少沉积,延长生产周期。 6)由于氯离子的存在,腐蚀不可避免。建议用双相不锈钢的材料,耐蚀性能会好一些。如:1Ｃｒ18Ｎｉ5Ｍｏ或2205等。 参考文献 [1] 化学工业部化工机械研究院.腐蚀与防护手册[Ｍ].北京:化学工业出版社,1987. [2] 涂湘湘.实用防腐蚀施工技术手册[Ｍ].北京:化学工业出版社,2000,4. |
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