（化学工程专业论文）蒸发器在线防垢除垢研究.pdf

浙江人学2 0 0 9t 程坝f j 毕业论爻一中文摘经 摘要 n ，n 二甲基甲酰胺( n ，n d i m e t h y l l f o r m a m i d e ) 又名甲酰二甲胺，简称d m f ， d m f 生产工艺中的蒸发器在蒸发操作过程中在蒸发管内壁生成一层污垢，造成设 备生产能力下降、物料流失、能耗增大、生产成本上升。为解决此问题，提出了 内置弹簧的在线防垢除垢方法，并进行了实验研究。 首先分析了实际工业蒸发器中结垢物的成分，结果表明结垢物主要由甲酸钠、 碳酸钠和碳酸氢钠组成，其中含甲酸钠6 1 9 1 ( 质量百分比) ，碳酸钠2 8 4 ，碳 酸氢钠3 5 2 5 。 裸管蒸发结垢实验，研究了流体流速分别为0 3 5 m s 和0 7 m s 以及管壁温度 和溶液沸腾温度差在1 8 1 - - - 4 3 3 范围内的结垢状况。 内置弹簧在线除垢实验，研究了弹簧直径分别为巾6 、8 、l o m m 三种尺寸，流 体流速分别为0 3 5 m s 和0 7 m s 以及管壁温度和溶液沸腾温度差在1 8 1 - - - 4 3 3 范围内的结垢状况。 实验表明： ( 1 ) d m f 盐溶液在蒸发试验设备中的结垢量随蒸发温度差的增大而增多。 ( 2 ) 在蒸发试验中，流体流速对蒸发结垢量影响不大。 ( 3 ) d m f 盐溶液在蒸发试验丌始2 3 小时内结垢量快速形成，随后结垢增 量趋缓。 ( 4 ) 内置弹簧对蒸发过程的防垢除垢有显著的作用。装有弹簧的管的污垢量 远远小于裸管的污垢量，其中装有巾8 弹簧的管的结垢量最小，防垢除垢效果显著， 在流体流速为0 3 5 0 7 m s ，管壁温度和溶液沸腾温度差在1 8 1 - - 4 3 3 c 试验条 件范围内除垢率达到8 7 1 9 3 5 。 关键词：二甲基甲酰胺；蒸发；内置弹簧；污垢热阻测量法；防垢除垢 浙江人学2 0 0 97 - 程f 映i j 毕业论义一英义摘要 a bs t r a c t f o u l i n gi sf o r m e do nt h et u b ew a l lo ft h ee v a p o r a t o ri nt h en ，n - d i m e t h y l f o r m - a m i d e ( d m f ) p r o d u c t i o np r o c e s s t h ef o u l i n gc a l ll e a d t od e c l i n eo fp r o d u c t i o n c a p a c i t y ，m a t e r i a ll o s s ，i n c r e a s e de n e r g yc o n s u m p t i o n ，r i s eo fp r o d u c t i o nc o s t i n o r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，ak i n do fa n t i f o u l i n gm e t h o dw a sp u tf o r w a r di nt h i s p a p e r , a n de x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e di no u rl a b f i r s t ，t h ec o m p o s i t i o no ff o u l i n gi n t h ee v a p o r a t i o nw a sa n a l y z e d t h er e s u l t s h o w st h a tt h ef o u l i n gi sc o m p o s e do fs o d i u mf o r m a t ef 61 91w t ) 、s o d i u mc a r b o n a t e ( 2 8 4 ) a n ds o d i u mb i c a r b o n a t e ( 3 5 2 5 ) i nt h ef o u l i n ge x p e r i m e n t so ft h ee v a p o r a t o rw i t h o u ts p r i n g si n s e r t e d ，t h ee f f e c t so f t h ef l u i dv e l o c i t y ( r a n g e ：0 3 5 - 0 7 m s ) a n dt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et u b e w a l la n df l u i d ( r a n g e ：1 8 1 - 4 3 30 c ) o nt h ef o u l i n gw e r ei n v e s t i g a t e d i nt h ef o u l i n ge x p e r i m e n t so ft h ee v a p o r a t o rw i t hs p r i n g si n s e r t e d ，t h ee f f e c t so f t h ef l u i dv e l o c i t y ( r a n g e ：0 3 5 0 7 m s ) a n dt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et u b e w a l la n df l u i d ( r a n g e ：18 1 4 3 3 ) o nt h ea n t - f o u l i n gw e r ei n v e s t i g a t e d t h ed i a m e t e r s o fs p r i n g si n s e r t e da r e6 ，8 ，lo m mr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w ： ( 1 ) t h ef o u l i n go nt h ew a l li n c r e a s e sw i t ht h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e t u b ew a l la n df l u i d ( 2 ) t h ef l u i dv e l o c i t yh a sl i t t l ee f f e c to nt h ef o u l i n g ( 3 ) t h ef o u l i n go nt h ew a l li n c r e a s e sr a p i d l yf o rf i r s tt w oa n d t h r e eh o u r sa n dt h e n t h ei n c r e a s eo ft h ef o u l i n gi ss l o w ( 4 ) t h es p r i n g si n s e r t e dh a v er e m a r k a b l ee f f e c to na n t i - f o u l i n g t h es p r i n gw i t h d i a 8 m mh a sb e s t a n t i f o u l i n g i n t h ef l u i dv e l o c i t yo f0 3 5 0 7 m sa n dt h e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et u b e w a l la n df l u i do f18 1 4 3 3 c ，t h es p r i n g s r e d u c et h ef o u l i n gu pt o8 7 1 - 9 3 5 。 k e yw o r d ：n , n d i m e t h y r l l f o r m a m i d e ；e v a p o r a t i o n ；i n s e r t e ds p r i n g ；h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n tm e a s u r e m e n t ；a n t i f o u l i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得浙逛盘茔一或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：毛薛舜净字日期： 口7 年l r 月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解一逝姿盘堂一有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权一逝婆太 堂一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：毛霹陬1 导师签名： 签字日期： 矿律参月1 日 签字嗍叮年月如 h t t p ：t g l a t 3 3 m a i l 1 6 3 c o m a j r e a d d a t a j s p ? s i d = y c n a b v r r o t f 0 j k d o n e r 2 0 0 9 6 2 浙江人学2 0 0 9t 程f 明i j 毕业论文一敛谢 致谢 论文是在导师南碎飞副教授的悉心指导和殷切关怀下完成的，从课题的选择、 科研思路到实验方案都得到了南老师的倾心指导。对于南老师给予的大力帮助和 悉心指导，在此向他表示衷心的感谢! 同时感谢王龙刚，刘红余同学在实验设备搭建、调试以及实验过程中的无私 帮助! 毛薛刚 2 0 0 9 年6 月于浙大求是园 浙江人学2 0 0 9t 程硕i ：毕业论文 第一章前言 蒸发过程属于同时传热传质过程，但是过程的速率主要由传热速率控制，因 此如何提高蒸发过程的传热速率，及如何保持蒸发过程的高传热速率是蒸发器设 计和蒸发操作的关键。在实际生产过程中，蒸发器的换热部位往往由于污垢的形 成而使生产效率大大下降，有时必须停产清洗设备彳能使生产恢复f 常，给生产 带来极大的不便，同时造成能量消耗、设备生产能力下降、生产成本上升。 换热设备( 包括蒸发器的换热部位) 污垢是指流体中的组分或杂质在与之相 接触的换热表面上逐渐结晶或黏附而积累起来的一层固态物质i lj 。换热设备污垢 广泛存在于各种传热过程中。根据s t e i n h a g e n 2 】对新西兰11 0 0 家企业的3 0 0 0 台 各种类型的换热器的调查表明，9 0 以上的换热器都存在不同程度的污垢问题。 换热表面的结垢是一个非常严重的生产问题，它影响了换热器的合理设计和 f 常运行：换热器传热面上的污垢通常以固态混合物的形态存在，是热的不良导 体，其导热系数一般只有换热面主要用材碳钢的十分之一，与铜材料的导热 能力相比相差就更大。因此导热系数很小的污垢物在换热表面形成后将导致换热 速率的下降。为了保证生产过程的顺利进行，在进行换热设备的设计时往往提高 换热面积，根据g a r r e t p r i c e 等人的实际经验，在设计换热器时一般需要较平均 水平增大3 5 的换热面积，由于存在额外的表面积，换热器将会更大、更重， 这将导致生产投资成本增大。换热面上结晶或结垢不仅恶化换热设备的传热性 能，增大了金属材料的消耗，而且污垢层增厚后减少了流体的流通截面积，增大 了流体阻力i 输送流体的泵或风机的功率也随之增多。此外，换热面上结垢的聚 集，常常会引起局部过热或超温而导致机械性能下降，引发事故；也会引起换热 面的局部腐蚀乃至穿孔，严重地威胁着换热器及蒸发器的安全运行。 为了使换热器在运行阶段保持所需的换热速率，定期清理换热表面是非常必 要的，但定期清理需要停工停产，提高了劳动强度，增加了维护，导致额外成本 的增加。因此，采用各种化学或物理方法在线阻止换热面上污垢形成的技术受到 工业界的格外重视。本论文以n ，n 二甲基甲酰胺生产中的反应物料冷却器的冷 却过程及蒸发器中蒸发过程为研究对象，研究各种因素对结垢速率的影响及在线 浙江人学2 0 0 9t 程坝i j 毕业论文 除垢技术。为提高生产效率提供有益的方法。 n ，n 二甲基甲酰胺( n ，n d i m e t h y l l f o r m a m i d e ) 又名甲酰二甲胺，简称d m f ， 是无色液体，略有氨味。能与水和大多数有机溶剂，以及许多无机液体混溶。 是非质子极性高介电常量的有机溶剂，由于溶解能力很强，被称为万能有机溶 剂。主要用作萃取乙炔和丙烯腈拉丝的溶剂。在气液色谱分析中用作固定相。 下面的表格列出的是d m f 主要的一些物理性质【3 j 。 表1 1n ，n 二甲基甲酰胺的主要物理性质 性质数值 相对分子量或原子量( g m o i ) 密度( g c m3 ) 熔点( ) 沸点( ) 闪点( ) 蒸气压( p a ) 粘度m p a s ( 2 0 ) 折射率 毒性l d 5 0 ( m g k g ) n ，n 二甲基酰胺的主要用途是作为种溶剂和萃取剂。特别是用盐和分子化合 物的溶剂与萃取剂。这是和它的特殊物理与化学性质分子量低、极性高、介电常 数高、电子给予体性能和成络合物的能力等密切相关。该产品广泛用于有机合成 与无机化工、农药工业、石油化工、合成纤维、人造革、医药工业和其它工业。 我国二甲基甲酰胺的生产起始于七十年代初期，上海人民制药厂采用酯化法 建成一套生产能力为6 0 0 吨年的装置，随后河北、辽宁、江苏、浙江、湖南、 四川等省陆续上马投产。但总的来说，在1 9 9 0 年以前。国内二甲基甲酰胺的发展 较为缓慢，生产装置规模较小，基本上是甲酸酯化二步法传统工艺生产，虽然生 产过程简单，但成本高、纯度低，应用范围受到限制。进入9 0 年代，随着腈纶抽 丝及人造革生产的快速发展，国内二甲基甲酰胺的生产也得到相应的发展。 d m f 主要的工业生产方法有：一氧化碳二甲胺直接合成法( 一步法) ，甲酸甲酯 一二甲胺法，甲醇甲酸甲酯二甲胺，三氯乙醛二甲胺法( - _ - - 氯乙醛法) ，氢氰酸 甲醇法和甲酸钠二甲胺法( 甲酸钠法) 。其他的合成方、法【2 j 由于存在各种各样的缺 舢 一 别 m 一 一 一 一 一 浙江人学2 0 0 9t 程f 坎i j 毕业论文 点，应用受到了很大的限制。工业中应用最广泛的是一氧化碳二甲胺直接合成 法( 一步法) ，甲酸甲酯二甲胺法和甲醇甲酸甲酯二甲胺法。下表为我国二甲 基甲酰胺主要生产厂家。 表1 2 我国二甲基甲酰胺生产厂家1 4 1 生产单位生产方法 浙江江山化f ：总厂一步法( 引进装置) 巨化集团公亓 电彳i 厂甲酸酯化_ 二步法 江苏常州武进化肥厂甲醇脱氢_ 二步法 江苏迮云港曙光化i ：j -甲醇脱氢二步法 江苏徐州溶剂厂 南通第二化f ：j - 甲酸酯化二步法 上海人【心制约厂甲酸酯化二步法 四川重庆农约厂 甲酸酯化二步法 江舶尔乡县农约厂 辽。j 。铁峰市化i ：厂( 低压) 一步法 山曲太原化肥厂 河北乐亭化i ：总厂甲醇脱氢_ 二步法 湖北武汉农约厂 湖南衡刚市第三化i ：厂甲酸酯化_ 二步法 黑龙江牡丹江银溪化i ：总厂甲醇脱氢二步法 山东淄博宏泰化i ：有公司一步法( 引进装置) 以甲醇钠作为催化剂，将一氧化碳与二甲胺在1 2 0 。c 、1 7 m p a 下直接合成 d m f ，其化学反应方程式为： ( c h 3 ) 2n h + c o 寸h c o n ( c h 3 ) 2 ( 1 1 ) 浙江人学2 ( r nt 程坝i j 毕业论义 d m f 生产的工艺流程为图1 1 所示： t ，jll i 反换墓 l 初 _ _ _ 精 应 驭l - 发 ，、 器器 器 - 馏馏 i 扇f i 伶网 塔塔 7 基书r 幽 图1 1步法丁艺流程图 d m f 重组分 在工艺流程中有两处换热设备易结垢引起生产能力的降低。其一为反应器出 来的生成产物须经换热器换热，移走反应热以维持反应系统的温度。当产物经换 热器降温时，产物中的具有正向溶解曲线的盐分由于降温而在换热管内壁上析 出，造成严重的结垢问题，生产过程中需要经常清洗换热器。其二为生成物在蒸 发器内通过蒸发，盐分浓缩结晶，然后通过过滤机除去盐分。在蒸发器换热面上 也有盐分析出，造成结垢问题，生产过程中也需要经常清沈蒸发器。这些结垢造 成设备生产能力下降、物料流失、能耗增大，生产成本上升。为解决此问题，并 为其他类似企业提供解决问题的启示，本文做了相关研究。 浙江人学2 0 0 9t 程坝i j 毕业论文 第二章文献综述 2 1 基本理论 2 1 1 污垢的分类 污垢分类有很多种方法。按换热类型可分为相变换热污垢、无相变换热污垢 和带化学反应的换热污垢；也可以按流体类型分为水溶液污垢，石油馏分污垢， 烟气污垢等。分类详细而准确的，且为大多数人所接受的是e p s t e i n 提出的按引 起污垢沉积的主要机理的分类方法。按此方法，液侧污垢可分为六类【5 】： 1 析晶污垢 如c a c 0 3 、c a s 0 4 和m g s i 0 3 等负溶解性赫溶液因热表面溶解度降低而随盐 类析出沉积；或在流动条件下呈过饱和的流动溶液中的溶解无机盐沉析在换热面 上的结晶体。当流体是冷却水或是蒸发设备中的液体时，这种污垢即成为水垢或 锈垢。超过2 5 的污垢问题与析晶污垢有关f 6 1 。 2 化学反应污垢 高温下某些有机物或无机物发生反应、聚合或焦化而产生的固体沉积在传热 面上；或在传热表面上进行的化学反应而产生的污垢，传热面材料不参加反应， 但可作为化学反应的一种催化剂。例如，在石油加工过程中，碳氢化合物的裂解 和聚合反应，若含有少量杂质，则可能发生链反应，从而导致表面沉积物形成。 3 微粒型污垢 悬浮于流体中的固体微粒在换热表面上的积聚。这种污垢也包括较大固态微 粒在水平换热面上因重力作用的沉淀层，即所谓沉淀污垢和其它胶体微粒的沉 积。 4 腐蚀型污垢 具有腐蚀性的流体或者流体中含有腐蚀性的杂质对换热表面材料腐蚀产生 的腐蚀物积聚所形成的污垢。通常，腐蚀程度取决于流体中的成分、温度及被处 理流体的p h 值。 5 生物型污垢 未经处理的海水、河水或湖水，其中的藻类等产生的沉积，这是由微生物体 和有机物体附着于换热面上而形成的污垢。 浙江人学2 0 0 9 - r 程顺i j 毕业论义 6 凝固型污垢 这是指清洁液体或多组分溶液的低溶解度组分在过冷换热面上凝固而形成 的污垢。例如当水低于冰点而在换热表面上凝固成冰。温度分布的均匀与否对这 种污垢影响很大。 需要指出的是，在实际换热面上的污垢，常常是各种污垢类型混合在一起的， 如析晶污垢和腐蚀污垢，就常常是混合而共存于同一换热面的，并且换热面上往 往同时生成几种类型污垢并相互影响。另外在应用上述分类时，常常会遇到这样 一些困难，如在溶液结晶的情况下，常常搞不清楚固态粒子是直接沉析在换热面 上，还是析晶先在主流中发生，然后晶体粒子沉积到换热面上或者两者同时发生。 如果是第一种情况，则应归入析晶污垢。面如果是第二种情况，则毫无疑问应归 入微粒污垢。 2 1 2 污垢的形成过程 污垢形成的基本过程实际上是一个传质过程，由五个基本步骤组成：起始阶 段、运输过程、附着阶段、剥消阶段和老化过程。 1 起始阶段( 诱导期) 起始阶段是指换热壁面与流体接触时起，到形成可观测到的污垢的一段时 间。在此阶段内，污垢热阻值接近于零，甚至小于零。因为此阶段微量污垢的生 成增加了传热表面面积及管壁的粗糙度，强化了传热，造成了污垢热阻值小于零 的情况。因此，要想达到防垢及保持换热器的换热能力的目的，应尽量使结垢的 诱导期延长。目前，对于析晶结垢和微粒结垢的诱导期有一定研究，其他类型结 垢诱导期的研究较为罕见。 析晶结垢中，诱导期和结垢速度强烈依赖于换热壁面的温度，壁温升高，诱 导期变短。另外无论对于何种类型的污垢，表面粗糙度越大，诱导期越短。 2 输运阶段( 迁移阶段) 污垢物质从流体到换热面的运输是由布朗运动或分子扩散、对流扩散、外力 场引起的输运和物质粒子惯性等几种作用的结果。对于无化学反应，粒子直径超 过0 1 9 m 的污垢粒子，当料液处于层流流动时，其迁移过程为分子扩散；对于无 化学反应或无腐蚀的高速流体，污垢物质将被湍流边界层内的漩涡所兴带并被卷 浙江人学2 0 0 9 丁程f ! ；! j j 毕业论文 向换热面，迁移过程为湍流扩散；对于化学反应型污垢，其输运过程受表面化学 反应速率支配；当流体温度高于壁温时，微粒可在温度梯度的推动下迁移到壁面； 另外，流体中粒径小于0 1 9 m 的带静电的污垢微粒，可在电场效应作用下被吸向 壁面。 3 附着阶段 穿过流动边界层被输运到壁面上的污垢物质，一部分被吸附于壁面上；另一 部分又从壁面返回流体中。这一过程常常用污垢附着于壁面的概率来表示。所谓 附着概率是指到达壁面的粒子中能够附着在壁面的污垢粒子比率。由于影响附着 概率的因素很多( 如液体作用在粒子上的各种力、粒子的尺寸、密度、弹性表面 条件以及壁面材料、表面粗糙度等) 而且十分复杂，目日矿对这方面的研究还很不 充分。 4 老化阶段 污垢老化从污垢形成就已经开始，而且随着结垢过程的进行越来越严重。老 化表现为：晶体结垢的变化；沉积物质的聚合作用；热应力的发展；污垢与换热 面界间发生的渗透溶解过程；换热面释放出的腐蚀产物造成的微生物中毒；微生 物所需营养的耗尽而死亡。 5 剥蚀阶段 剥蚀阶段是指沉积在换热面上的污垢重新脱离换热面或污垢层被流动的液 体带走的过程。污垢剥蚀分为三类：污垢物质以离子形态脱离壁面的剥离，称 为溶解。污垢物质以微粒形式脱离壁面，称为磨蚀。影响磨蚀的因素为流体速 度、污垢微粒大小、壁面粗糙度及污垢与壁面的结合力等。污垢物质以大块或 成片的形式脱离壁面的过程，称为剥落。剥落取决于在传热过程中形成的热应力、 污垢在结垢过程中的参杂物所引起的应力、热效应所引起的污垢结构的变化及污 垢与壁面结合状况等因素。其中最后一个因素，可有污垢形成过程中，污垢与换 热壁面出温度变化而引起。 根据k r e n 和s e a t o n l 7 】的理论，在污垢的形成过程中，一方面污垢物质会沉积 到换热面上，从而增加热阻，另一方面也存在物质被流体冲刷而脱离，使污垢热 阻减小的现象。污垢热阻随时间的变化应是这两个现象结果的叠加，所以净结垢 速率方程表示为： 浙江人学2 0 0 9 丁程f 砍i j 毕业论义 d m 厂 一=聊d一耽尺dt ( 2 1 ) dms 式中，聊r 是剥蚀率，聊d 是沉积率，_ 犷为污垢净积存速率。污垢的沉 积率依赖于结垢的形式，如沉淀、结晶、有机物的形成等等，而污垢的剥蚀率则 与污垢的硬度、粘度、管内流速、剪切力以及系统结构有关。 时间，h 图2 1 污垢热阻随时间的变化关系 由于工艺参数和结垢机理的不同，结垢率( 可用污垢热阻来衡量) 随时间的 变化曲线不同，有线性增长型、降率型、渐进率型及锯齿型4 种，见图2 1 。线性 增长型污垢，换热器运行很短时间后就需要停机清洗。对降率型，污垢热阻随时 间呈抛物线关系增加，但其增长率逐渐下降，这种换热器运行时间长一些。渐进 率型，污垢热阻随时问呈渐近线关系增加，但最终达到并保持某一常量。但是实 际测量的污垢随时间的变化并不规则，而是像锯齿型。而且有的清洁换热面和不 洁净流体接触后，几乎立即就观测到污垢热阻的出现，如图2 1 中虚线所示；更 多的情况是接触后一段时i 、日j 内爿有污垢产生。 |!ii叠。=岛案蜾蛉 浙江人学2 0 0 97 - 程f i ! j ! l j 毕业论文 2 1 3 污垢影响因素 影响结垢的因素很多，归纳起来，主要有流体性质、流体流速、换热设备参 数、流体本体和换热表面的温差f 引。下面主要介绍流速和温度的影响。 1 流体流速 在国内外，流速对结垢的影响目自i 有两种截然不同的结论：其一是以h a s s o n 与z a h a b i 【9 1 、m u l l e r s t e i n h a g e n 与b r a n c h f l 0 1 为代表，他们认为增大流速可减小结 垢速率，因为高流速增大了流体对污垢层的剪切力，从而加快了垢层的脱除；其 二是以r i u e r 、k a m a u k h o v 【1 2 】以及c h a r n o z u b o v l l 3 等人为代表，他们认为增大 流速会促进垢层的生长，因为在结垢过程中粒子扩散的阻力较大，而高流速引起 的湍流促进了颗粒的输运，使颗粒快速到达壁面黏附而结垢；另一方面沉积物附 着力很强而流体剪切力相对较弱，因此由于流体对污垢层的剪切力而使垢层脱除 的情形将难发生。 事实上，流速对不同类型结垢产生的影响是不同的，对不同类型换热设备结 垢的影响程度也不同。对于扩散机理控制的结垢过程，增大流速会加速结垢速率； 在以结晶类型为主导的结垢过程中，流速的影响相对较小【1 4 】。 流速对污垢的影响可以归结为两点，一是流速对沉积的影响归结为对对流传 质的影响，这个影响只有在剥蚀不是很显著时才能被测量出来；二是流速对剥蚀 的影响，最好以壁面剪切应力和污垢黏附强度来表征。 2 温度和温差 流体和污垢之间的界面温度是影响结垢程度的关键参数，流体温度( 平均温 度) 及其传热系数决定该界面温度。另一方面，壁温和溶液温度问的温差对结垢 过程也有很大的影响。 在结晶结垢中，壁面附近溶液的局部过饱和有利于晶核的生成和生长。而传 热壁面与溶液间的温差无疑是影响壁面附近溶液过饱和度的直接而又关键的因 素。 3 换热设备参数 ( 1 ) 换热面状态 所有类型污垢的诱导期都随换热面粗糙度的增加而缩短。通常，光滑的、没 有被腐蚀的材料表面比半h 糙的、已腐蚀的表面更不易结垢。 浙江人学2 0 0 9 丁程顺卜毕业论义 任晓光、刘长厚f 1 5 】的研究发现经现代表面处理技术( 离子注入、磁控溅射) 处理过的换热面较未处理的换热面能抑制污垢在换热面沉积，且污垢在表面的沉 积也更加分散。并且在实验中，处理过的表面较多的出现了垢层脱落的情况，而 未处理的表面则很少出现。 ( 2 ) 换热器结构 有报道表明，螺旋换热器的抗垢和强化传热的性能要明显优于管壳式换 热器。螺旋换热器采用两个平行板式螺旋体可实现1 0 0 对流传热，通道内设置 的螺栓和弯曲造型有助于促进紊流流动和传热，与管壳式换热器相比，传热系数 可提高一倍。 德国一炼油厂采用螺旋式换热器替代双管式换热器。原来，双管式换热器运 行1 0 天就需要清洗3 天，花费大。改用螺旋式换热器后，运行5 年也无需清洗，1 年内回收投资。 4 其他因素 ( 1 ) 流体中溶解物质的浓度 对于结晶过程，浓度差( 过饱和) 是关键的，因为随浓度差的增大，物质传 递和污垢生成的速率也提高。 ( 2 ) 饱和溶液随温度变化的关系 饱和浓度随温度的变化关系直接影响操作条件的选择和结垢的形成。 ( 3 ) 垢层的厚度和剪切强度 随着垢层厚度的增加使流道截面减小，流速增加，因而相应地提高了剪切力， 这样有助于使垢层脱落，倘若垢层的剪切强度不太大，则两者处于平衡状态。 ( 4 ) 界面应力和产生晶核的接触角 随着界面应力的减小，晶核生成的可能性就增大。由于界面上存在的杂质组 分也可使界面应力降低，从而有利于结垢过程。 2 2 在线清洗技术研究现状 污垢的清洗可分为停工清洗和在线清洗。污垢在线清洗时有如下优点： 减少停工清沈耽误的时间； 节省停工清洗的劳力和费用； 浙江人学2 0 0 9t 程顺i j 毕业论义 延长运转周期，节约维修费用； 防止运行过程中压降增加，提高传热效率，降低能耗。 据统计，目前国内最常用的化学清沈法在清洗技术专利总数中，仅占l 4 【。而大部分却是机械物理清洗方法。这主要是由于污垢的种类繁多，性质各 不同。即使是同一类污垢，也因设备的结构、材质及运行条件的不同而各有差异。 因此单一的化学清洗方法不仅未必有效，甚至会导致失败。而管内插入物在线清 洗技术则是一种先进可行的机械物理清洗方法。并且这种技术在现有换热器改造 上具有十分重要的实际意义。 2 2 1 旋转螺旋线法1 1 8 i 湘潭大学俞秀民等丌发了自洁高效的自动螺旋线强化传热技术，无需外部动 力驱动及其复杂的传动装置。由于螺旋线同时具有横向随机振动和轴向伸缩游 动，使防垢、除垢的机械能可以同时用来强化管内液体的对流传热，达到了自洁、 高效传热的双重目的。 自动螺旋线的结构如图2 2 所示。由一根螺旋线和轴向固定用的入口支撑 图2 2自动螺旋线除垢工作原理 组成。管程液体在管内的流动受到螺旋线的阻碍和导向而产生螺旋线流动，同时 由于螺旋线的轴心线与管的轴心线不重合，管内将产生一股偏心的螺旋环流。这 种螺旋环流和螺旋线的漩涡脱离共同作用，使螺旋线发生随机振动。螺旋环流的 液体给螺旋线的反作用力的切向分量形成与螺旋线环流反向的工作力矩，驱动螺 旋线连续地旋转。此外，工作时螺旋线还有一定的轴向运动，其幅度在流量波动 的时候更大。由于螺旋线的连续转动和横向随机振动及轴向运动，使传热管内壁 面的污垢得到刮扫和撞击，加上螺旋环流与法向振搅的共同作用，达到在线、连 浙江人学2 0 0 9 - v 程倾卜毕业论文 续、自动防垢除垢的目的，并使管内对流传热过程中的边界层得以有效的扰动而 产生比清洁污垢时更好的强化传热作用。 采用这种技术的时候，管程液体流速一般要求在0 5 m s 以上。在0 6 5 1 5 3 m s 的常用流速范围内旋转螺旋线是一种有效的传热强化技术，传热强化幅度在 2 2 4 - 5 6 8 范围内。 2 2 2 液固流态法 上个世纪6 0 - - - 7 0 年代以来，研究者丌始探索把多相流念化技术引入防除垢 过程，通过在换热装置中加入一定种类、浓度、粒径的惰性固体颗粒的方法来达 到强化传热和防除垢的目的，取得了较显著的效果。 1 液固流态化换热器的工作原理 采用一定的技术措施，将一定粒度范围的固体颗粒按适量的配比置入清洗水 流后，固体颗粒借助水流的载带及涡流效应可与水充分地进行掺混，从而获得较 高的动能。当这种液固两相流连续不断地循环流经换热器管内时，均匀流态化的 固体颗粒随机而频繁地碰撞、挂擦管子的表面污垢，对污垢施加强烈的冲刷、磨 削和破碎等物理作用，从而达到除垢清沈的目的。 2 液固流念化清洗的特点 液固流态化具有以下几个优点： 设备结构简单，投资少； 操作简便，除垢效果好； 操作弹性大，能清洗多种类型的换热器( 如管壳式、套管式等) ； 流念化粒子可直接利用廉价的天然砂砾或矿砂等，清沈费用低。 但使用液固流态化的内循环换热器也有非常明显的缺点： 由于换热器内的颗粒在循环时不能被操作者直接看到，不能直接测量， 也不能控制或由某些操作来影响颗粒的循环。因此，操作者无法正确判断颗粒的 内部循环是否以正方向来进行，即所谓的“黑匣子”效应。如果颗粒不能f 常循环 的话，将影响到除垢和换热效果。 出于内部循环时液体和固体颗粒两相循环，循环液体占总流量的1 0 6 0 。这引起额外的机械能损失，同时将使换热器进口处的混合温度可能达到结 浙江人学2 0 0 9t 程硕i j 毕业论文 晶饱和温度，导致进口处即有结晶出现，引起系统堵塞。同时强有力的内部循环 会导致进口处严重的磨损。 2 2 3 旋转纽带法1 1 9 | 1 旋转纽带法的工作原理 在每根换热管中流体的进口端固定安装一根清洗纽带，利用工质本身流过纽 带所传递的动量矩，使置于换热管内的纽带旋转。由于纽带本身的柔性和旋转作 用，使得纽带在旋转中不断地刮扫和撞击换热管壁面的作用，从而达到清洗管内 污垢、抑制污垢沉积和强化传热的目的。 2 旋转纽带的结构 自转塑料纽带位能除垢的结构原理如下图2 3 所示。在每根传热管内，悬挂 条特制的塑料除垢纽带。在直径方向，纽带与管内壁之间有较大的( o 4 m 以上) 间隙，能够自由旋转。在轴心线方向上，采用入口轴承架和钩头轴将其悬挂定位。 生产运行时，传热管内的流体在纽带的导流作用下呈螺旋线下流，按牛顿力学第 三定律流体势必反作用于塑料纽带，其周向力推动纽带旋转，纽带的两侧面就不 断地刮扫传热管内壁面上的污垢，达到自动、连续地除防垢的目的。 图2 3 纽带除垢的结构原理示意图 3 旋转纽带法的应用 这种旋转纽带除垢技术对于各种管壳式立式换热设备和卧式换热设备都可 以应用。对设备的新旧程度没有任何要求。在旧设备的改造过程中，对设备的本 体可以不做任何改变，对设备的管程数、传热管的管数和直径及其长度均没有限 制。应用时唯一的要求是换热管内液体的流速不能太低，一般要求正常运行时的 浙江人学2 0 0 9t 程帧i j 毕业论文 流速高于0 6 - - - - 0 8 m s 。若传热管内壁比较光滑，取较低值；反之取较高值。若 换热管内液体密度比较大时，可以取较低值；反之应取较高值。若换热管内液体 正常流速低于或远低于上述值时，可以在一定周期内( 如每周l h 左右) 提供暂 时的较高流速( o 8 1 o m s ) ，则纽带可将这一周期内积累在换热管内壁的污垢 清除干净。 2 2 4 弹簧法1 2 0 i 1 固定式弹簧在线清洗 固定式弹簧在线清洗系统基本结构如图2 4 所示。 流体 i l 径向振动轴向振动环向振动 图2 4固定式弹簧清洗系统示意图 该清沈系统主要是将弹簧的两端绕紧于细杆上，并固定于换热器管板上，结 构简单，安装方便。 研究表明，在某弹簧参数下，能引起弹簧产生显著振动而产生除垢作用的流 速为0 5 o 7 m s 。但是，并非弹簧振动越强就越好，因为振动过于剧烈，压力 降较高，对管壁和弹簧本身的磨损太大，影响其使用寿命。在选取流速及弹簧参 数时，还必须考虑到过高流速会引起弹簧的不均匀性变形问题。一般靠近流体入 口端的上游段弹簧被拉伸，而另一端下游段弹簧受压缩。线径太小时，拉伸端易 产生疲劳断裂。因此在确定弹簧参数( 主要是线径) 时，以不引起受拉伸端和受压 缩端弹簧螺距差异过大为限。 该系统适用于管内为过滤流动或湍流流动的工况，并且一般要求流速不低于 浙江人学2 0 0 9t 程坝i j 毕业论文 0 5 m s ( 最好0 7 1 5 m s ) ，以保证具有较高的除垢效率。工业试验时，在相同 的工艺条件下，对装有弹簧的换热器和未装弹簧的光管换热器进行了比较，在 r e = 5 3 0 0 - - - , 5 8 0 0 ，流速0 8 5 - - - 0 9 3 m s 的试验条件下，除垢效率达7 0 左右。管 程压力降增加到光管时的1 5 , - - 2 3 倍，而总传热系数比光管提高3 8 左右。与螺 纹管等强化传热元件相比，弹簧插人物的一次性投资较低，仅占换热器投资的6 左右，且使用寿命长达3 年以上。出于传热效率的提高和传热面积的节省，可 使整个设备的投资费用节省3 0 左右。 2 旋转式弹簧在线清洗 旋转式弹簧在线清洗系统的基本结构如图2 5 所示。 图2 5旋转式弹簧清沈系统结构 旋转式弹簧在线清洗技术是由湘潭大学丌发成功的。在该系统中，弹簧两端 采用活动方法支承。在流体的作用下，弹簧除了产生径向和轴向振动外，还会产 生整体的连续转动，对传热面上的污垢产生较好的擦沈作用。这种结构的优点是 在较高的流速下，弹簧因能整体转动可擦沈传热面而具有较高的除垢敢率。缺点 是弹簧两端的支承较复杂，并存在磨损问趣，安装不如固定式弹簧容易。 对于实验室中的较短的玻璃管试件，弹簧较易产生转动，但对壁面不十分光 滑且较长的工业换热器管子，欲使弹簧产生连续转动，就需要流体对其施加足够 大的作用力，一般要求流速在0 6 m s 以上。流速增大，除垢效率提高，在相同 的流速和弹簧参数下，管程膜传热系数的增长幅度比固定式弹簧略低些，流动阻 力也要应小些。在湍流条件下，管程膜传热系数比光管提高1 0 以上。 3 分段式弹簧在线清沈 分段式弹簧在线清洗系统在基本结构如图2 6 所示。 浙江人学2 0 0 9t 程f 硕i j 毕业论文 径向振动 轴向振动坏向振动 图2 6分段式弹簧清沈系统示意图 该项技术是法国e i f 公司于8 0 年代术期丌发成功的。这种结构的主要特点是 采用分段弹簧元件，端部两段弹簧的安装与固定式清沈系统相同，其他若干段弹 簧则不加固定，各段之间适当留有间隙。在流体的作用下，各段弹簧之间相互发 生弹性碰撞，弹簧很容易产生显著的径轴向振动，沿轴向还会产生穿梭式的运动。 同时，各小段弹簧本身也较易发生转动( 固定于端部的两段弹簧除外) 。因此，在 较低的流速下就能达到较好的清洗效果。据资料介绍，这种弹簧清洗系统适用于 流速为0 3 l m s 的工况。选用较粗线径的弹簧，也能用于更高流速的工况；除 垢效率一般可达8 0 左右，换热器的总传热系数可提高2 0 以上。这种结构的最 大优点是在较低的流速条件下就能获得较好的除垢效果，同时便于控制管程压力 降。因此在涉及高粘度，较脏和易结垢物料的换热器中应优先考虑这种在线清沈 技术。通过对炼油厂大量实际换热器单元进行的计算和分析，发现高粘度物流的 流速到达0 7 m s 以上时，若管程加入弹簧插入物，则压力降经常大到难以接受 的程度。但固定式和旋转式弹簧清洗系统将会受到流体允许压力降的制约，而分 段式结构对此则显示出较大的优越性。 2 2 5 大空隙率绕花丝多孔体在线清洗 该项技术是由清华大学丌发成功的绕花丝多孔体是由金属丝按设计出的最 佳尺寸用专业的工艺制成的一种绕花状元件，见下图2 7 所示，它的空隙率很大， 一般在9 5 以上绕花丝可紧贴管内壁插入管中，由于其本身的弹性作用依靠与 浙江人学2 0 0 9t 程硕i j 毕业论文 管壁的摩擦力，可在管内牢固地定位，制造简单、安装方便。 图2 7 绕花丝多孔体示意图 实验结果和实际应用表明：用流速大于0 8 m s 的清洗水冲刷装有绕花丝多 孔体的换热器，就可以比较干净地除掉丝上、管壁上的垢物。因为，当水速达 n o 8 m s 时，水流将产生强烈的弥散涡流，对管壁有很强的冲刷效应。因此， 使用绕花丝多孔体后，换热器管程污垢显著降低，管程压力降仅为光管时的l 1 5 倍，而总传热系数提高2 倍左右。 2 3 进展与问题 在线机械清洗的管内弹簧技术既可连续自动除垢，又具防垢和强化传热作 用，说明此项技术能同时适用于新设备和现有设备的改造，无需改动设备主体结 构，也不增加阀门和管线，不改变传热介质的流向。但对操作条件有一定要求， 容易产生较大的压降，同时对流速不能低于极限振动流速。特别适合解决3 0 0 以下高粘度介质的污垢问题，也可直接应用于改造和提高热交换器传热效率。但 目前有关弹簧线径、螺距、簧径等参数和管内流速、流体压降的相互关系尚不十 分明确，仍处在实验和工业中试阶段。由于工业换热设备中管壳式换热器占比重 最大，特别是石化企业占9 0 0 的换热设备为列管式换热器，因此该技术的应用前 景十分广阔。 虽然该项技术有较广的适用范围，但也受到研究条件和设备本身的限制。加 上各种工业换热工质及工艺条件变化很大，特别是换热界面的污垢系数难于测 定，难以总结出具有普遍意义的经验及设计公式。因此很需要进一步研究具有抗 垢性能的强化传热技术，以适应某些行业如制糖、制盐、制碱和化学工业的能 耗降低和换热设备的更新换代的要求。 尽管传热结垢的研究已取得了不少成果，但需要解决的问题仍很多。大量准 浙江人学2 0 0 9t 程坝i - r g 业论义 确污垢热阻值的缺乏，是换热器设计过高或过低的原因。关于换热污垢，还没有 系统的理论模型，应进行结垢数学模型的研究。另外，新的防结垢技术f 在不断 推出，如用新型的处理表面技术来减少结垢，表面等离子处理技术、复合镀层低 能表面技术以及电场防结垢技术研究c 2 2 2 3 1 ，为防结垢提供了新途径。 浙江人学2 0 0 9t 程f i ! j ! i j 毕业论义 第三章实验研究方法与装置 3 1d m f 溶液蒸发器内污垢成分分析 污垢为白色结晶物，取自d m f 溶液冷却器或蒸发器内。首先将湿的结晶物进 行预处理，即脱除易挥发有机物，使之成为绝干物。绝干结晶物易溶于水，在空 气中非常容易吸潮。因此可初步判断该结晶物为盐类。将该绝干结晶物配成一定 浓度的水溶液后，应用等离子体光谱分析仪、离子色谱仪并结合化学分析方法进 行定性和定量分析，得知结晶物的组成如表3 1 所示。 表3 1 结晶物成分 组分 甲酸钠碳酸钠 碳酸氢钠 组成，w t 6 1 9 12 8 43 5 2 5 图3 1 是结晶物样品的离子谱图，图3 2 是标样甲酸根的离子谱图。 5 0 0 4 d 0 3 0 0 ： 2 0 0 1 0 0 口 1 0 0 2 0 口 02 55 07 5 m i n 10 图3 1 样品离子谱图 浙江人学2 0 0 9 - f 程坝l j 毕业论义 12 口 1 口口 8 d 竺 6 0 墨 4 d 2 0 0 口5 01 口0 图3 2 标样离子谱图 由上分析可知：在n ，n 二甲基甲酰胺生产中引起反应器、换热器及蒸发器堵塞 的结晶物是由甲酸钠、碳酸氢钠、碳酸钠等盐类所组成。 3 2 结晶物形成分析 对工业实际原料二甲胺和一氧化碳进行分析，得知原料中所含杂质为： 二甲胺中含水2 0 0 p p m ； 一氧化碳中含水i o o p p m ，二氧化碳1 5 0 p p m ，氧3 0 0 p p m 。