氯化苯循環水系統技術改造

劉 偉，周杰文，李文蘭，王海鷗，阮興龍

（浙江閏土新材料有限公司，浙江 紹興 312300）

浙江閏土新材料有限公司氯化苯分廠（以下簡稱閏土新材料氯苯分廠）2014年開始建設，2016年試生產，主要生產氯化苯、對硝基氯苯、鄰硝基氯苯。氯化苯裝置為連續化生產裝置，生產工藝因含有苯、氯苯等溶劑型有機物以及鹽酸等酸性物質，所以系統中存在很多石墨換熱器，另外涉及原料及產物特別是同分異構體間的塔式精餾分離，對換熱器的完整性及換熱效果要求較高。運行發現，經過化學藥劑（一般為殺菌劑、阻垢劑、除藻劑等）處理后循環水系統的相關換熱設備有腐蝕結垢、補水量大等現象[1，2]，需要階段性酸洗，雖然酸洗比較簡單，但需要裝置停車，影響生產。為確保公司裝置安全長周期穩定運行，針對氯化苯循環水系統使用化學加藥法處理換熱設備存在的腐蝕結垢較嚴重、部分設備換熱效率降低等問題，在硝基氯苯循環水系統成功應用基礎上[3]，采用具有物理除垢、緩蝕、殺菌技術的量子管通環應用于公司氯化苯循環水系統后，起到了很好的除垢除銹、緩蝕阻垢的作用[4]。

1 量子管通環介紹

1.1 量子管通環工作原理介紹

量子管通環由特種信息記憶材料制成，利用特定設備測定和儲存水中水垢和鐵銹等相關物質的分子振動波形。針對水中相關物質的分子振動波形，再開發多種“超精微振動波”，并利用特定技術將這種波儲存于“量子管通環的亞原子級”中。量子管通環從周圍環境得到能量時，“超精微振動波”即被持續恒量地釋放出來，透過管壁傳入水中。在這種“超精微振動波”的作用下，水中的鈣、鎂離子振動特性發生改變，不易結晶析出形成水垢，起到防垢作用，已經形成的水垢也會在振動波的作用下逐步的軟化脫落；鐵與氧反應不再生成鐵銹（三氧化二鐵），而是生成磁性氧化鐵（四氧化三鐵），對新的腐蝕呈惰性反應；同時水的活性得到極大加強，增加對離子的溶解度和攜行能力，抑制水中菌藻類的繁殖和生長，從而替代化學藥劑添加處理循環水，起到阻垢緩蝕、抑菌滅藻的作用。

1.2 量子管通環特點

（1）高效穩定。按規定方法正確安裝使用，能起到阻銹除垢、殺菌滅藻的效果，長時間保持穩定。

（2）安裝簡便。沒有電源，不用切割管道，兩個半環用螺栓緊固即可，對現有管道系統不造成任何影響，可以實現在線安裝。

（3）零維護費用。一旦安裝即不用任何檢測和維護。

（4）零運行費用。不用電源，無人工、藥劑、檢測等運行費用。

（5）綠色環保。無需任何化學添加劑，自然環保。

（6）節水節能效果好。由于結垢，管路系統熱傳導效率降低最多可達50%以上，系統補充用水量可高達1倍以上，能源消耗增加可達10%以上，采用合適的量子管通環可使水耗和能耗逐步恢復到設計初始狀態。

（7）延長系統使用壽命。對管路系統在內壁形成保護膜，若管道外無腐蝕，理論上管道壽命將無限期延長。

（8）效費比高。在達到藥劑處理同等或優于效果的情況下，綜合考慮節省人工、藥劑、維護、能耗、延長管道壽命等因素，其效費比是傳統化學除垢方法的數倍。

1.3 量子管通環安裝方案設計

氯化苯循環水主要在氯化液干燥、氯化反應系統、精餾分離系統、氯化尾氣系統使用，根據氯化苯循環水在不同工藝單元的使用情況，在不同的循環回水管道上分別安裝型號為1套DN200，2套DN250和1套DN300。4套量子管通環分別對應鹽干燥系統、氯化反應系統、精餾分離系統和氯化尾氣系統。這種設計既考慮量子管通環整體分布后對整個循環水系統全面處理情況，又對循環水要求較高的不同單體實現了精準調控。

2 量子管通環在氯化苯循環水系統的運行情況

量子管通環在氯化苯循環水系統投運至今，未添加任何化學藥劑進行額外處理，旁濾系統定期運行。

2.1 氯化苯循環水系統情況

圖1 氯化苯裝置循環水系統量子管通環安裝方案示意圖

氯化苯生產裝置循環水系統主要為氯化苯的氯化反應系統、精餾分離系統、鹽干燥系統及氯化尾氣系統提供冷卻水，循環水補水為自來水和氯苯及硝基氯苯裝置塔式精餾分離系統產生的蒸汽冷凝水。安裝量子管通環前，循環水和補水水質分析數據（連續化運行裝置數據較為穩定，隨機抽取1組）見表1。

表1 循環水和補水水質分析數據

從表1可以看出，補水總硬度和電導率均不高（特別是蒸汽冷凝水），該循環水系統補水水質較好。

按照表1數據，分別以總硬度法、電導率法和氯離子法計算循環水的濃縮倍數（以自來水為補水進行計算）。以總硬度法計算得到的循環水濃縮倍數為4.89，以電導率法計算得到的循環水濃縮倍數為5.57，以氯離子法計算得到的循環水濃縮倍數為5.26。根據計算數據可以看出，電導率濃縮倍數和氯離子濃縮倍數均高于總硬度濃縮倍數，系統存在硬度離子結垢丟失的情況，雖然系統補水水質較好，但該循環水系統仍然存在結垢問題。

2.2 量子管通環安裝后的循環水情況

2.2.1 外觀表現

與傳統的化學藥劑法相比，氯化苯生產裝置循環水系統安裝量子管通環一段時間后,肉眼可看見渾濁的循環水逐漸變得清澈透明，而且后續旁濾系統反洗周期由約15天延長為約35天。未安裝量子管通環前,循環水池立柱有菌藻生成，循環水水池壁上藻類繁殖較快，安裝后菌類生長明顯受到抑制，掛壁現象逐漸減少。

2.2.2 氯化苯用循環水的換熱器及管道等情況

量子管通環安裝后，氯化苯生產裝置用循環水的換熱設備運行正常，未出現循環水側因腐蝕發生泄漏停車的情況，整個生產系統運行平穩。在相同負荷下，換熱器特別是石墨換熱器的進出水溫差和剛投用時相比數據變化不大，說明了量子管通環在除垢方面效果明顯。

2.2.3 量子管通環安裝后濃縮倍數變化

實際生產中為了保證循環水的處理效果，必須控制好循環水的濃縮倍數，較高的濃縮倍數意味著循環水中的硬度、堿度較高，循環水的結垢趨勢增大，換熱設備結垢趨勢增大。閏土新材料氯苯分廠氯化苯生產裝置循環水系統采用量子管通環除垢，對循環水系統的補水和循環水水質進行分析，并計算濃縮倍數，驗證量子管通環的防垢、除垢效果，將所得的濃縮倍數的數據繪制成的曲線圖見圖2。

圖2 氯化苯生產系統循環水濃縮倍數變化曲線

由圖2發現，安裝量子管通環前后氯化苯生產系統的循環水濃縮倍數均不太高，安裝量子管通環后，氯化苯生產系統的循環水濃縮倍數呈下降趨勢，且硬度濃縮倍數始終高于氯離子濃縮倍數，說明系統結垢較輕。這都與氯化苯循環水池補充水基本為蒸汽冷凝水為主，自來水為輔有一定關系。另外是氯化苯循環水系統安裝量子管通環后，取代了化學藥劑的添加，一些酸性阻垢劑和含氯殺菌劑不再加入，通過旁濾系統定期的不斷置換，氯離子和金屬離子濃度逐漸降低至動態平衡。通過量子管通環安裝前后數據對比，氯化苯的循環水經歷了從安裝前硬度濃縮倍數小于氯離子濃縮倍數到安裝后硬度濃縮倍數大于氯離子濃縮倍數的變化，說明量子管通環起到了一定的防垢阻垢效果。

3 掛片實驗

3.1 掛片實驗所用主要化學試劑及儀器

（1）主要試劑：無水乙醇。

（2）主要儀器：分析天平（METTLER TOLEDO ME204E），電熱恒溫鼓風干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司ZG--DC03），碳鋼實驗掛片。

3.2 掛片實驗方法

（1）實驗前處理

用酒精清洗碳鋼掛片表面的油膜，干燥后稱重并記錄。

（2）掛片實驗

在氯化苯生產裝置的循環水系統安裝量子管通環時，在循環水池里吊裝循環水檢測用的碳鋼掛片。

（3）實驗后處理

將從氯化苯循環水池里取出的碳鋼掛片放入電熱恒溫鼓風干燥箱烘干（時間不宜過長，一般30 min為宜），烘干后分析天平進行稱重并記錄，計算結垢速率。

其中結垢速率計算公式如下。

式中：S—結垢速率，mm/a；

M—實驗前碳鋼掛片的質量，g；

M1—實驗后碳鋼掛片的質量，g；

S—碳鋼掛片的總面積，cm2；

T—所用碳鋼掛片實驗時間，h。

將不同的碳鋼掛片分別放入超聲波儀器清洗20 min，用工具將掛片表面腐蝕物質除去（腐蝕物除去后，再次用超聲波清洗干凈），放入電熱恒溫鼓風干燥箱進行烘干，對干燥后的掛片分析天平稱重并記錄，參照JB/T 7901-1999計算腐蝕速率[5]。

其中腐蝕速率計算公式如下。

式中：R—腐蝕速率，mm/a；

M—實驗前碳鋼掛片的試樣質量，g；

M1—實驗后碳鋼掛片的試樣質量，g；

S—碳鋼掛片的總面積，cm2；

T—碳鋼掛片的實驗時間，h；

D—所用碳鋼掛片的密度，kg/m3。

腐蝕速率用所實驗的全部平行碳鋼掛片的平均值做曲線，當某個平行試樣的腐蝕速率與平局值的相對偏差超過10%時，應取新的碳鋼掛片做重復試驗，用第二次實驗結果進行計算。當在達不到要求時，則應同時計算兩次實驗全部碳鋼掛片的平均值和每個碳鋼掛片的腐蝕速率。但腐蝕速率小于0.1 mm/a時不在此列，此時應表征全部碳鋼掛片的腐蝕速率。

3.3 實驗結果

3.3.1 結垢速率

將氯化苯生產系統循環水按碳鋼掛片實驗開始時間的先后順序檢測計算得到的結垢速率繪制成的曲線見圖3。

圖3 氯化苯生產系統循環水碳鋼掛片結垢速率變化曲線

從圖3可以看出，氯化苯循環水系統的管路安裝量子管通環之后，循環水中碳鋼掛片結垢速率處于相對平穩的下降趨勢，由最初的15.9 mg/（cm2·月）下降到現在的10 mg/（cm2·月）以下[已符合低于15 mg/（cm2·月）]的標準[6]要求，說明量子管通環除垢阻垢效果明顯。

3.3.2 腐蝕速率

將氯化苯生產系統循環水按碳鋼掛片實驗開始時間的先后順序檢測計算得到的腐蝕速率，繪制成的曲線見圖4。

圖4 氯化苯生產系統循環水碳鋼掛片腐蝕速率變化曲線

從圖4可以看出，氯化苯循環水系統的管路安裝量子管通環之后，循環水中碳鋼掛片的腐蝕速率處于持續穩定下降趨勢，安裝初期最高值0.298mm/a，使用過程中最小值0.138 mm/a，下降到現在的0.145 mm/a以下（已符合低于0.155 mm/a）的標準[6]要求，說明量子管通環防腐蝕效果明顯，而且仍呈下降趨勢，腐蝕速率有進一步降低的可能。

4 經濟效益

（1）運行成本低

在2 000 m3/h的循環水系統中，量子管通環法平均運行費用為3.3萬元/a（平均使用年限可達10年）；而在2 000 m3/h的循環水系統中，藥劑法平均運行費用為10萬元/a。因此，不考慮每年定期檢修酸洗除垢的費用，相比藥劑法，2 000 m3/h的循環水系統采用量子管通環處理可節約費用6.7萬元/a。

（2）節約水費

后續旁濾系統反洗周期由約15天延長為約35天，每次反洗水約為4m3，可人工設置。每年節省排水約56 m3，排水作為廢水和工藝水收集集中處理，節約費用4200元/a。

5 系統出現的問題及整改措施

氯化苯循環水系統應用量子管通環后，整體效果優于傳統化學藥劑法，截至目前還未出現因循環水系統腐蝕造成的停車現象。但由于該循環水系統有部分管道為地埋管道，曾有次連續暴雨后地埋管因安裝問題出現了爆管，部分污泥進入循環水系統，循環水變渾，相比采用藥劑法，沒有起到明顯的改善作用。

針對循環水變渾的情況，經過與廠家溝通，結合量子管通環的原理，這種情況旁濾器的作用非常關鍵。后短期增加了循環水的反洗頻次，循環水濁度很快恢復正常，目前量子管通環使用情況良好。

6 結論

（1）量子管通環可用于結垢型水體，對換熱設備特別是涉及精餾分離裝置的換熱設備結垢起到了很好的除垢及阻垢作用，極大提升了換熱效果；

（2）量子管通環對換熱設備防腐起到了一定的促進作用，效果持續穩定；

（3）量子管通環可取代化學藥劑的使用，免維護，減少反洗次數，減少了水排放。