有機酸清洗劑去除換熱設備污垢實驗研究

張成治+胡志明

摘 要： 以A、B、C三種有機酸清洗劑為研究對象，篩選出性能較好的清洗劑并優化其清洗工藝參數，結果表明，清洗劑C與水的體積比為1∶20、清洗溫度為20～40 ℃、清洗時間為1 h時，除垢率達97%，且對碳鋼和不銹鋼的腐蝕率為三種清洗劑中最低，滿足化學清洗對腐蝕率的要求.在此基礎上，建立動態除垢實驗裝置考察實際清洗效果，結果表明，清洗劑C實際清洗效果較好，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，傳熱系數分別提高6.01%、6.98%、6.93%、9.04%.

關鍵詞： 換熱設備； 污垢； 除垢； 化學清洗； 有機酸

中圖分類號： TQ 051.5 文獻標志碼： 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生產的諸多過程中，嚴重妨礙換熱設備的正常運行，降低傳熱效率，增大流動阻力，造成能源的浪費和環境的污染.全世界煉油廠每年因結垢而造成的經濟損失達44億美元[1-2]，我國平均每1 mm厚水垢要多消耗能源7% ～9%，換熱效率降低10%～20%.因此，對換熱設備除垢的研究日益受到人們的重視[3-4].

換熱設備的除垢根據原理可分為物理法除垢和化學法除垢[5-7].目前的物理除垢技術并不能較好地去除換熱面的污垢，特別是對于水垢和銹垢.相比物理除垢，化學清洗技術除垢率更高.隨著新型清洗劑的不斷研發，化學清洗除垢技術也在不斷提高.化學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、轉化和分散到清洗溶劑中以達到除垢的目的，其技術核心是清洗劑.目前用于除垢的清洗劑包括有機酸和無機酸，有機酸多為弱酸，對換熱設備的腐蝕率較低.采用有機酸清洗換熱設備是未來化學清洗除垢發展的方向[8-9].本文以有機酸清洗劑為研究對象，通過靜態除垢實驗和動態除垢實驗考察有機酸清洗劑的除垢性能以及應用效果.

1 材料和方法

1.1 實驗材料

實驗選擇A、B、C三種清洗劑作為研究對象，去除換熱設備中常見的碳酸鈣和金屬氧化物等污垢.清洗劑是由有機酸、表面活性劑和緩蝕劑按一定配比復合而成.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，按質量濃度計量；清洗劑C為濃縮液體，按清洗劑與水的體積比計量.

1.2 實驗方法

1.2.1 清洗劑篩選和工藝優化

取一段內壁結垢的金屬管道，制作清洗試片，對其進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，按重量法計算除垢率.按上述實驗得出的有效清洗濃度配制清洗液，進行腐蝕率測試，得出三種清洗劑在有效清洗濃度下對碳鋼和不銹鋼的腐蝕率.通過上述實驗方法，考察清洗溫度對除垢率和腐蝕率的影響，優化清洗工藝參數.

1.2.2 動態除垢實驗

為考察除垢效果，建立了動態除垢實驗裝置.應用上述實驗選定的清洗劑以及清洗工藝進行動態除垢，并測定除垢前、后換熱器的傳熱性能.動態除垢實驗流程如圖1所示.

該實驗系統主要由除垢試件、熱水循環泵、冷卻水循環泵、流量計、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.除垢試件為結垢的螺旋槽管管殼式換熱器，試件殼體材料為普通碳鋼，規格為108 mm×8 mm；芯體內部共有19根換熱管，規格均為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，換熱管傳熱部分長度為1 204 mm.除垢試件換熱管內壁結垢，污垢主要成分為碳酸鈣，實驗主要清洗部分為換熱管內壁污垢.

2 結果與討論

2.1 清洗劑濃度

三種清洗劑在溫度為20 ℃、清洗時間為1 h時的除垢率分別如表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后對碳鋼和不銹鋼的腐蝕率，結果如圖2所示.由圖2中可知，清洗劑C對碳鋼和不銹鋼腐蝕率遠低于A、B兩種清洗劑.

2.2 清洗溫度

由上述實驗結果得出：清洗劑C在有效清洗濃度下比清洗劑A、清洗劑B對金屬的腐蝕性更低.考慮到對設備的保護，選用該清洗劑進行清洗.考察清洗劑C在體積比為1∶20，清洗溫度分別為20、40、60 ℃時的除垢效果和腐蝕率，實驗結果如圖3所示.從圖3中可以看出，清洗溫度分別為20、40、60 ℃時，1 h內除垢率均能達到95%以上；當溫度為60℃時，清洗30 min后除垢率即達到90%以上，清洗時間縮短了一半.

清洗劑的緩蝕效果也是化學清洗需要考察的重要因素.清洗劑C在體積比為1∶20，清洗時間為2 h，溫度分別為20、40、60 ℃時的腐蝕率如圖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，清洗劑對碳鋼和不銹鋼的腐蝕率明顯變高.其原因可能是60 ℃時，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間，但同時清洗劑對金屬的腐蝕率也相應增大.

2.3 實際清洗效果評價

由上述實驗結果可知，清洗劑C在體積比為1∶20、清洗溫度為20～40 ℃時，除垢率和腐蝕率變化不大，清洗1 h后除垢率都達到95%以上，對碳鋼和不銹鋼的腐蝕率遠低于《工業設備化學清洗質量標準》[10]規定的6、 2 g·m-2·h-1.機械作用（流量、流速、湍流）對化學清洗速率有一定影響，但影響極低[11-12].針對清洗劑C及其由上述實驗確定的工藝參數，按圖1中的實驗系統對清洗試件進行了循環清洗.除垢前、后系統運行工況如表3所示.

在上述實驗工況下，除垢前、后清洗試件傳熱系數變化如圖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時傳熱系數分別增加6.01%、6.98%、6.93%和9.04%.

實驗結果表明，結垢狀態下，當管程流速為0.9、1.1 m·s-1時傳熱系數變化不大.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，增加生產成本，而且實際效果并不明顯.

3 結 論

本文以有機酸清洗劑為研究對象，通過靜態除垢實驗和腐蝕率測試篩選出性能較好的清洗劑并優化其清洗工藝.建立動態除垢實驗裝置，進行實際應用效果研究.研究結果表明：

（1） 清洗劑C與水的體積比為1∶20、清洗溫度為20～40 ℃時，除垢率達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，滿足化學清洗要求.

（2） 動態除垢實驗結果表明，有機酸化學清洗效果較好，除垢后試件在本文實驗工況下傳熱系數提高6%～9%.

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