海水板式換熱器微生物污垢控制和板換傳熱強(qiáng)化分析

馬 靜

（阿法拉伐（上海）技術(shù)有限公司，上海 200021）

工藝裝置中的淡水保護(hù)通常十分重要。因此，在當(dāng)?shù)厝菀撰@得海水的情況下，應(yīng)最大化利用海水資源進(jìn)行冷卻。與冷卻塔循環(huán)淡水冷卻相比，采用海水進(jìn)行閉式水冷卻具有極大優(yōu)勢(shì)——冷水塔回流溫度限制在濕球溫度的5 ℃左右，而海水系統(tǒng)的可用溫度較低，換熱器較小[1]。中國(guó)石油和化工行業(yè)“十三五規(guī)劃”新建大型煉化項(xiàng)目?jī)?yōu)先布局七大沿海化工基地，其中海水換熱器已得到廣泛的應(yīng)用。

1 板式換熱器簡(jiǎn)介

板式換熱器（Plate Type Heat Exchanger，PHE）是一種高效、緊湊的換熱設(shè)備。1878年，德國(guó)發(fā)明了板式換熱器并獲得專利。開(kāi)始的板式換熱器是用鑄造的青銅板片組合在一起，1930年以后才有不銹鋼或銅薄板壓制的波紋板式換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，板間采用膠墊密封，形成間隔的換熱通道。

近年來(lái)，板式換熱器取得了長(zhǎng)足的技術(shù)發(fā)展，板片厚度由5～10 mm發(fā)展到0.4 mm；使用溫度和壓力顯著提高，部分墊片的耐溫達(dá)到210 ℃；隨著裝置的大型化，大型板式換熱器如海水板換的需求越來(lái)越多，單臺(tái)面積達(dá)到約3 000 m2。

2 分析和控制海水板式換熱器微生物污垢的重要性

由于海水介質(zhì)的復(fù)雜性，污垢的累積和增長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的換熱性能嚴(yán)重下降而壓降上升。海水污垢的類型包含結(jié)晶污垢、腐蝕性污垢、生物污垢和顆粒污垢等。海水板式換熱器采用鈦板材，可有效避免設(shè)備本身的腐蝕性污垢。在此情況下，生物污垢無(wú)疑成為困擾海水換熱系統(tǒng)的重點(diǎn)，需關(guān)注其影響因素并找到合適的控制方法。

3 微生物污垢形成的影響因素

3.1 大型海洋生物

大型海洋生物會(huì)引起局部堵塞、沖擊和熱點(diǎn)，導(dǎo)致局部結(jié)晶污垢。此時(shí)，可通過(guò)前端設(shè)置過(guò)濾器對(duì)其進(jìn)行攔截，避免污垢進(jìn)入換熱器。

3.2 微生物

過(guò)濾小細(xì)胞微生物在經(jīng)濟(jì)上不可行。大量微生物進(jìn)入系統(tǒng)并可沉積在表面。一旦到達(dá)表面，生物體會(huì)生長(zhǎng)或繁殖，形成“生物膜”，對(duì)熱傳遞產(chǎn)生阻力，并減少流道的截面積，增加壓降。典型換熱器表面微生物生長(zhǎng)的照片，如圖1所示。

圖1 典型換熱器表面微生物生長(zhǎng)的照片

4 影響微生物生長(zhǎng)的因素

4.1 流速

在非常低的速度或在死水中，生物生長(zhǎng)很可能會(huì)由于缺氧和缺營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而死亡，而輕微的速度會(huì)使結(jié)垢速率隨著流速的增加而增加，這反映了表面至少需要一個(gè)低流速來(lái)維持營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳遞。低速下的瞬時(shí)操作會(huì)導(dǎo)致不可逆的影響，如即使去除了大塊生物層，多糖層也可能留在表面。在更高的速度下，生物沉積物可以被去除。需要注意，流速同樣是其他污垢類型如結(jié)晶型污垢的影響因素，因此在很多情況下需要考慮其協(xié)同作用。

4.2 溫度

板換壁面溫度是生物污垢的重要影響因素。當(dāng)壁溫低于40～50 ℃時(shí)，對(duì)于鈦板，污垢傾向于隨著溫度的升高而增加，在40～50 ℃達(dá)到峰值；在大于50 ℃時(shí)，污垢隨著溫度的升高而減緩；高溫80 ℃之上，污垢隨溫度的變化變得不明顯。這一總體趨勢(shì)與Novak所做的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

4.3 溶解氧濃度

溶解氧濃度與生物污垢阻力之間存在正相關(guān)關(guān)系。海水中的溶解氧濃度必須高于4 mg·L-1才會(huì)發(fā)生顯著的生物污垢。正常情況下，海水中的溶解氧濃度在6～8 mg·L-1。但是，由于浮游生物數(shù)量過(guò)多，如“赤潮”從水中除去大部分氧氣，溶解氧濃度會(huì)降低。這種情況發(fā)生時(shí)，以死亡海洋生物形式存在的懸浮固體是一個(gè)更大的問(wèn)題。

5 板式換熱器微生物污垢控制和減輕方法

5.1 強(qiáng)化板式換熱器設(shè)計(jì)

強(qiáng)化板式換熱器傳熱一直是研究者探索的焦點(diǎn)問(wèn)題。換熱器的經(jīng)典計(jì)算公式為[2]：

式中：K為傳熱系數(shù)，單位為W·m-2·K-1；A為傳熱面積，單位為m2；ΔT為平均傳熱溫差，單位K。

在給定ΔT和Q的前提下，提高傳熱系數(shù)K成為重點(diǎn)研究方向。K值的計(jì)算公式為：

式中：k工作為工作狀態(tài)下的總傳熱系數(shù)，單位為W·m-2·℃-1；k清潔為工作狀態(tài)下的總傳熱系數(shù)，單位為W·m-2·℃-1。

由傳熱系數(shù)K的計(jì)算公式和形成污垢熱阻后的溫度剖面圖（如圖2所示）可以看出，總傳熱系數(shù)與液膜傳熱系數(shù)和污垢層密切相關(guān)，而污垢的增加會(huì)急劇降低換熱器的傳熱效率。

圖2 冷側(cè)形成污垢后換熱器中溫度剖面圖

傳統(tǒng)管殼式換熱器的設(shè)計(jì)會(huì)根據(jù)不同的流體指定比較大的污垢系數(shù)，而如果板式換熱器也采用同樣的系數(shù)會(huì)造成傳熱系數(shù)余量過(guò)大，直接表現(xiàn)是板片數(shù)量增加，板間流速降低，結(jié)垢傾向提高，而一旦出現(xiàn)任何初始污垢，通道很容易堵塞。

美國(guó)傳熱研究公司針對(duì)水冷塔所用的板式換熱器和管殼式換熱器結(jié)垢的實(shí)驗(yàn)研究表明，在板間流速0.45 m·s-1的工況下，板式換熱器比管殼式換熱器（流速1.8 m·s-1）結(jié)垢傾向低50%～70%。這是由于板式換熱器的高湍流，提高了其剪切力，減少了污垢的聚集量，同時(shí)起到了沖刷作用。對(duì)于板式換熱器，通常根據(jù)K值余量進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用10%～20%涵蓋污垢的損失，而海水板式換熱器的余量不應(yīng)大于25%。Marriott對(duì)海水板換的污垢系數(shù)給出建議值0.000 026 m2·℃·W-1。在設(shè)計(jì)階段，最重要的是應(yīng)盡可能提高流體的剪切力，以產(chǎn)生有效湍流。

5.2 化學(xué)方法控制微生物

除換熱器設(shè)計(jì)之外，化學(xué)方法控制微生物生長(zhǎng)可以分為3個(gè)類別[3]：

（1）氧化殺菌劑氧化微生物中的化合物，如次氯酸氯、臭氧和溴等；

（2）非氧化性干擾微生物的新陳代謝或破壞殺菌劑壁（如異噻唑啉、戊二醛、DBNP、季胺等）；

（3）生物分散劑不會(huì)殺死生物，而是把它們懸浮在水中，以便從系統(tǒng)中沖走或者更容易被殺生物劑殺死。

5.3 換熱器清洗

即使換熱器設(shè)計(jì)良好，定期清洗換熱器仍舊非常必要。此外，由于流速和溫度的變化、設(shè)備故障、空氣和細(xì)菌的進(jìn)入、流體成分的變化或上游腐蝕、換熱器中的條件可能偏離設(shè)計(jì)條件等都可能促進(jìn)污垢生成。如果換熱器內(nèi)形成污垢，可能是一系列問(wèn)題的開(kāi)始。沉積物下可能發(fā)生腐蝕，沉積物的表面粗糙度可能增加污垢速率。熱交換器可通過(guò)化學(xué)或機(jī)械方法或兩者的組合進(jìn)行清潔。

5.4 化學(xué)清洗

化學(xué)清洗方法比機(jī)械清洗方法有許多優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)較快，通常需要一天時(shí)間，而機(jī)械清洗可能需要3天時(shí)間；表面不會(huì)受到機(jī)械損傷；與機(jī)械清洗相比，所需人力更少。

大多數(shù)化學(xué)清洗由沖洗、堿洗、酸洗和中和4個(gè)過(guò)程組成[4]。在每個(gè)化學(xué)步驟之前和之后以高流量水沖洗，物理去除松散或軟化的材料，并去除殘留的化學(xué)物質(zhì)。堿洗主要用于去除沉積物的有機(jī)部分（油、脂肪、蛋白質(zhì)），使無(wú)機(jī)表面親水，以使酸洗有效。一旦表面具有親水性，就可以通過(guò)應(yīng)用適當(dāng)?shù)乃运峄旌衔锸钩练e物軟化和/或溶解。這種混合物通常含有緩蝕劑，防止酸對(duì)金屬的腐蝕。通過(guò)對(duì)廢酸強(qiáng)度和溶解垢濃度的分析，判斷酸洗是否完成。最后，進(jìn)行中和。

5.5 機(jī)械清洗

必須將熱交換器離線拆卸，然后高壓水槍水力清洗。這種方法可能無(wú)法完全消除所有污垢沉積物，此時(shí)可以配合軟刷清潔，以達(dá)到100%恢復(fù)其初始傳熱性能。對(duì)于嚴(yán)重的污垢問(wèn)題，建議采用化學(xué)和機(jī)械清洗相結(jié)合的方法。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)海水板式換熱器微生物污垢的影響因素做了分析，并從設(shè)計(jì)、化學(xué)處理和清洗3個(gè)方面提出控制和減輕的建議，對(duì)加強(qiáng)換熱設(shè)備的效率和使用時(shí)長(zhǎng)具有積極作用。