苯乙烯生产过程中的循环冷却水处理设计.doc

摘 要石油化工装置循环冷却用水约占生产总用水量的90%，因此在化工生产中进行循环冷却水的基础处理和正常运行处理是十分重要的。本文针对合成苯乙烯过程中循环冷却水的处理，从浓缩倍数的计算与取值、循环冷却水处理药剂的选择和计算、菌藻处理方法的确定、旁流水处理的设计等几方面具体说明了合成苯乙烯过程中循环冷却水处理的设计。关键词：循环冷却水处理，监测换热，旁流，浓缩倍数，缓蚀一、绪 论（一）循环冷却水处理技术循环水系统中所遇到的腐蚀、结垢、生物污垢这几个问题，采用水处理技术是能够解决的。也只有采用冷却水处理技术，冷却水循环后的技术经济效益才能充分发挥。所谓循环冷却水处理技术，是指针对循环水系统的水质、设备材质、工况条件选择缓蚀剂、阻垢剂、分散剂、杀生剂正确匹配组成水处理配方，提出工艺控制条件、提供相应的清洗、预膜方案等。把这一全过程称为循环冷却水处理技术。其中将缓蚀剂、阻垢剂、分散剂等组成配方，确定适宜的工艺控制条件，进行循环冷却水的基础处理和正常运行处理，这是循环冷却水处理技术的主要内容。冷却水处理中所用的缓蚀剂、阻垢剂、分散剂、杀生剂等化学品可统称之为水质稳定剂。这些化学品的研究开发、生产是循环水处理的基础。没有先进的、性能优良、价位适中的水质稳定剂就根本谈不上现代的循环水处理。因此，这些水质稳定剂的研究和生产一直是水处理界关注的热点。（二）合成苯乙烯过程中的冷却水处理的安全生产要求安全生产、保护环境、节约用水是在工业循环冷却水处理设计中需要贯彻的国家技术方针政策的几个重要方面。在符合安全生产要求方面：循环冷却水处理得当，首先会使冷却设备产生不同程度的结垢和腐蚀，导致能耗增加，严重时不仅会损坏设备，而且会引起工厂停车、停产、减产的生产事故，造成极大的经济损失。因此，安全生产首先应保证循环冷却水处理设施连续、稳定地运行并能达到预期的处理要求。其次，在循环冷却水处理的各个环节如循环水处理、旁流水处理、补充水处理、排水处理及其辅助生产设施如仓库、加药间、设计中都应该考虑生产上安全操作的要求。特别是使用的各种药剂如酸、碱、阻垢剂、缓蚀剂、杀菌灭藻剂等，常常是有腐蚀性、有毒、对人体有害的。因此，对各种药剂的贮存、运输、配制和使用，设计上都必须考虑有保证工作人员卫生、安全的设施，并按使用药剂的特性，具体考虑其防火、防腐、防毒、防尘等安全生产要求。 在保护环境方面：使用各种化学药剂处理时，要注意避免和消除各种可能产生危害周围环境的不利因素，对于循环冷却水各种处理设施中的“三废”排放处理，尤须符合环境保护要求，严加控制。在节约能源方面：循环冷却水系统中由水质形成冷却设备的污垢是最常见的一种危害。垢层降低了设备的换热效率，影响产品的产量和质量，而且造成能源的浪费。1 的垢厚大约相当于8%的能源损失，垢层越厚换热效率越低，能源消耗越大，同时也使水系统管道的阻力增大，直接造成动力的浪费。在冷却水、补充水和旁流水处理设计系统中，各种构筑物或设备及其管线布置等，都要注意节约能源、动力，应该力求达到单位水处理成本最低、动力消耗最小的技术经济指标。在节约用水方面：工业冷却水占工业用水的70%-80%。要节约用水，首先要做到工业冷却水循环使用，以减少净水消耗和废水排放量。在循环冷却水系统中，提高设计浓缩倍数，对于充分利用水资源、节约用水、节约药剂、降低处理成本有很大的经济效果。现代化的大型工业企业尤其如此。如某化肥厂循环冷却水系统的浓缩倍数由3提高到5，即节约补充水量20%左右，减少排污水量50%以上，且每月可节约6万元左右的经营管理费用。在循环冷却水处理的各个工艺过程中，还有相当一部分的自用水量，同样应该贯彻节约用水的原则，充分利用循环冷却水系统的优越性1，进一步发挥其节水潜力。二、合成苯乙烯过程中的循环冷却水处理工艺（一）循环冷却水处理的基本要素21 热交换设备对污垢热阻和腐蚀率的要求循环冷却水处理工艺3流程的设计是根据热交换设备对污垢热阻和腐蚀率的要求，补充水的水质指标、循环冷却水的水质标准，同时吸取了扬子石化公司现有循环水站成功的运行经验，通过技术经济比较后确定的。苯乙烯合成化工厂的热交换设备对污垢热阻和腐蚀率的要求如下：污垢热阻：1.7210-43.4410-4m2.K/W；腐蚀率：0.125mm/a。2 补充水的水质指标水质指标如下：温度34；pH值88.2；浊度2mg/L；甲基橙碱度(以CaCO3计)：86mg/L；总固体：146mg/L；溶解固体：132mg/L；总硬度(以CaCO3计)：100mg/L；重碳酸盐硬度(以CaCO3计)：85.5mg/L；游离CO2：2.2mg/L；HCO-3：104.9mg/L；Cl-：9.57mg/L；SO42-：24.0mg/L；F-：0.08mg/L；SiO2：12.4mg/L；PO43-：0.02mg/L；CO32-：无；K+：1.6mg/L；Na+：8.2mg/L；NO3-：2.0mg/L；Ca2+：29.4mg/L；Mg2+：6.21mg/L；总Fe：0.077 mg/L；Cu2+：0.012mg/L；溶解氧：9.52mg/L；油：1.0mg/L。3. 循环冷却水的水质标准苯乙烯合资工厂4循环冷却水的水质标准应执行工业循环冷却水处理设计规范循环冷却水水质标准表(GB50050-95)，具体如下：悬浮物10mg/L；pH值：7.09.0；甲基橙碱度500mg/L；Ca2+：30200mg/L；Fe2+0.5mg/L；Cl-300mg/L；SO42-与Cl-之和1 500mg/L；硅酸(以Mg2+SiO2计)15 000mg/L；游离氯：0.51.0mg/L；石油类5mg/L。4循环冷却水处理的流程循环冷却水系统由6个流程组成，除主流程外，其余的加药流程、加氯流程、加酸流程、监测换热流程、旁流流程均为循环冷却水处理的5个组成内容，如图1。图1循环冷却水系统(1)主流程：循环冷却水系统的补充水为该石化公司的工业用水，5台循环水泵(3用2备)由冷却塔塔下水池吸水加压后进入循环冷却给水管，用于供应工艺装置的冷却用水。循环冷却回水则通过循环冷却回水管返回循环水站，经冷却塔的配水系统均匀分布后，在冷却塔内自上而下进行气水换热降温，冷却后进入塔下水池，再经循环水泵加压供出。如此循环往复。(2)加药流程：为控制循环冷却水流经的管道和热交换设备的腐蚀、结垢，必须向循环冷却水投加缓蚀阻垢药剂。另外，在系统正常运行之前，必须先投加预膜剂，使金属表面形成一层完好的缓蚀的保护膜。本系统中，药剂原液通过自吸泵或人工搬运送入贮药罐，然后按一定比例加入稀释水(工业水或循环冷却水)，或者直接将原液搅拌后自流进入药剂溶液罐，再由2台计量泵(1用1备)将药液送入冷却塔塔下水池。(3)加氯流程：为控制菌藻类等微生物的繁殖，必须向循环冷却水投加杀生剂。本系统中，设计选用的杀生剂为液氯。氯气从氯瓶中蒸发，依次经过氯气过滤器、真空调节器、加氯控制柜，最终通过水射器送入冷却塔塔下水池。本系统还包括一个在线余氯分析仪，控制余氯0.51.0mg/L，同时在线余氯分析仪与加氯机联锁，可实现连续自动加氯。设计2套加氯系统，1用1备，可自动或人工切换。(4)加酸流程：循环冷却水系统在每次正常运行之前，应对系统进行酸洗；另外，在系统正常运行的过程中，为保证缓蚀阻垢剂处理效果而需降低系统pH值时，也进行加酸处理。本系统中，设计选用的浓硫酸通过硫酸泵进入硫酸贮罐中，然后通过水射器送入冷却塔塔下水池。(5)监测换热流程：循环冷却水系统在正常运行的过程中，应采用必要的监测手段，以随时掌握循环冷却水处理的效果，并根据监测所得的数据及时采取相应的措施，以期达到良好的效果。本系统中，在循环冷却给水管的旁路上设置了一个模拟工艺装置热交换设备的小型热交换器(监测换热器)，其热源为低压饱和蒸气。在监测换热器的循环冷却回水管上安装挂片，通过对挂片的定期化验分析，可以推断循环冷却水流经的管道和热交换设备的腐蚀、结垢状况。(6)旁流流程：旁流的目的是保持循环冷却水水质，使系统在满足浓缩倍数的条件下有效、经济地运行。在高浓缩倍数条件运行时，可减少补充水量和排污水量，减轻对环境的污染。本系统中，约2.5%的循环冷却回水流经2组全自动无阀过滤器，滤后水进入冷却塔塔下水池。2组全自动无阀过滤器利用虹吸原理可实现自动反冲洗。（二）循环冷却水处理设计简述1. 浓缩倍数的计算浓缩倍数即循环冷却水的含盐浓度与补充水含盐浓度的比值。循环冷却水在系统运行过程中有蒸发损失、风吹损失和排污损失(包括生产中渗漏损失)3种水量损失，这3种水量损失的总和由补充水补给。系统运行达到平衡时，从系统排出的盐量等于进入系统的盐量，即：Cri.(Qb+Qw)=Cmi.Qm =Cmi.(Qe+Qw+Qb)因此 式中N浓缩倍数； Cri循环冷却水的含盐浓度，mg/L； Cmi补充水的含盐浓度，mg/L； Qm补充水量，m3/h； Qb排污水量，m3/h； Qe蒸发水量，m3/h； Qw风吹损失水量，m3/h。2. 循环冷却水处理药剂的选择在循环冷却水处理中经常使用的药剂有缓蚀剂、阻垢剂和复合型药剂3种。缓蚀剂的作用是能在金属表面形成一层致密而连续的金属氧化膜或其它类型的膜，将金属表面覆盖起来，从而与腐蚀介质隔绝，防止腐蚀。阻垢剂的作用是利用其与水中的金属离子起络合反应而产生可溶性络合盐，使金属离子的结垢倾向受到抑制，不易结成坚硬的水垢；同时，阻垢剂5的作用还在于其吸附作用与分散作用；通过提高结垢物质微粒表面的电荷密度，使微粒间排斥力增大，降低结晶速度，并使晶格结构发生畸变，从而防止结成硬实的水垢。循环冷却水处理包括对结垢、污垢、腐蚀和微生物等几方面的控制，无论是缓蚀剂、阻垢剂或其它药剂都有其片面的作用范围，难以满足多方面的需要。因此，采用具有协同效应进而是互为增效的复合配方即复合型药剂，对保证循环冷却水的水质，使系统运行高效、可靠，均具有重要意义。本系统中，设计选用的JC-463型缓蚀阻垢剂，是有机磷、共聚物6和铜缓蚀剂的复合配方。该配方经长江南京段水质多年运行的结果表明，效果良好，具有缓蚀、阻垢、分散等多种作用。该配方的优异性能表现在其可在碱性条件下使用，不需调节循环冷却水的pH值，对环境的污染轻微，以及防止碳酸钙垢、磷酸钙垢效果好等方面。（三）菌藻处理方法的确定与计算循环冷却水系统的水温和pH值均适宜微生物生长，冷却塔塔下水池又常年露置室外，阳光充足，这更给微生物的生长繁殖创造了条件。微生物主要是菌藻类，它们的存在不仅使水质恶化，还与其它有机或无机杂质构成粘垢附着、沉积在系统内，增加了水流阻力，并且严重地降低了热交换设备的传热效率，粘垢不仅妨碍缓蚀剂发挥其防腐蚀功能，甚至促进腐蚀过程。因此，必须采取适当措施控制菌藻类在循环冷却水中的生长繁殖。目前最常用的办法是投加杀生剂。1. 杀生剂类型的选定 杀生剂按机理分为氧化型杀生剂、非氧化型杀生剂和表面活性剂杀生剂3类。 氧化型杀生剂主要为液氯及氯酸盐，它们在水中发生如下水解反应：Cl2+H2OH+Cl-+HClO HClOH+ClO- 2ClO-+H2OHClO+ClO-+OH- 起杀菌作用的主要是HClO，ClO-的杀菌能力只有HClO的1%2%。用氯杀菌，能与较多缓蚀、阻垢剂配合使用，彼此干扰少，杀菌效果好，而且价廉、制取方便，在水处理领域中应用广泛。非氧化型杀生剂主要有硫酸铜和氯酚类。通常硫酸铜不能单独使用，一方面是为了防止Cu2+沉淀出来，需同时投加铜的螯合剂；另一方面是为了使Cu2+能渗进菌藻内部，往往需同时投加表面活性剂。氯酚及其衍生物虽可杀灭多种菌藻，但对水生动物和哺乳动物有危害，不能被其它微生物迅速降解，易造成环境污染。表面活性剂类杀生剂以季铵盐类化合物为代表。季铵盐具有杀生力强，毒性低，对污泥有剥离作用，化学稳定性好，使用方便等特点。但当水中有机物含量较多时，季铵盐易被吸附，从而降低药效，加大药耗；另外，水中金属离子的存在也会使药效受到影响，季铵盐类还易引起发泡现象，常需配合使用消泡剂。 综上所述，本系统设计选用液氯作为杀生剂。2. 液氯的投加方式液氯的投加方式主要有连续投加与间歇投加2种，连续投加是按照使循环冷却水中余氯保持一定浓度的要求，连续投加药剂。连续投加可以得到很高的杀生效果，但运行费用高，操作的工作量大。间歇投加较为经济，一般每天投加13次，每次34h。考虑夏季高温季节时菌藻繁殖旺盛，危害明显，因此本系统设计采用夏季连续投加、其余季节间歇投加的方式。3. 加氯量的计算加氯量计算公式如下：式中Gc加氯量，kg/h； Q循环冷却水量，m3/h； gc单位循环冷却水的加氯量，mg/L。 根据国内调查的结果，循环冷却水的余氯量一般保持在0.51.0mg/L。余氯量小于0.5mg/L时，将增加投加次数，给操作、管理带来困难，而且降低了杀灭菌藻的效果。余氯量大于1.0mg/L时，并没有明显提高杀灭菌藻的效果，反而增大了耗氯量，并会加剧金属点腐蚀，造成钢材损坏。鉴于此，当采用间歇投加方式时，gc取值24mg/L；当采用连续投加方式时，gc取值0.50.8mg/L。（四）旁流水处理的设计1. 旁流水处理的必要性循环冷却水在循环过程中由于受到污染(包括由空气带入灰尘、粉尘等悬浮固体，以及由于热交换设备的物料渗漏而带入油及其它杂质等)，将会使水质不断恶化；另外，由于循环冷却水的浓缩作用也会引起水中某一项或几项成分超标。在此情况下，必须分流出部分循环冷却水进行处理，以控制循环冷却水水质指标在允许范围内。旁流水处理还可以降低对补充水的水质要求，减少补水量和排污量，因而对节约水源，减少环境污染也具有重要意义。2旁流水的处理内容旁流水的处理包括混凝、沉淀、过滤、除油、软化、除盐等内容。根据本系统循环冷却水的水质指标及通过对其在循环过程中的环境情况和其它污染因素的分析，本系统旁流水处理的主要目的是去除悬浮物。（五）主要工艺设备的选型5 1. 加药设备加药设备包括贮药罐、药剂溶液罐和加药计量泵。（1）贮药罐设计选用的JC-463型缓蚀阻垢剂，在常温(20)下，密度为1.150.05g/cm3，粘度小，可采用原液直接投加。系统正常运行时加药量为12.52kg/h。当气温较低时，药剂粘度增大，易造成管道、设备的堵塞，因此需加适量的水进行稀释后再投加。考虑以70%的水进行稀释时，经计算15天的加药量约为7.7m3。因此，设计贮药罐的容积为8m3，可贮存1525天的加药量。贮药罐内设有1台功率0.75kW的搅拌机，在药液发生沉淀或需对原液进行稀释时使用。贮药罐和搅拌机的材质均为不锈钢，贮药罐内安装液位计，与控制进水(用作稀释)的电磁阀联锁，能够按照设置的稀释倍率自动完成稀释、搅拌的工作。（2）药剂溶液罐药剂溶液罐容积1m3，即23天的投药量，材质为不锈钢。药剂溶液罐内安装液位计，与控制进液的电磁阀联锁，可自动从贮药罐内进液。（3）加药计量泵加药计量泵设计选用2台美国W&T公司生产的P44-216型计量泵，1用1备。单台计量泵流量Q=045L/h，扬程H=1.00.6MPa，功率P=0.5kW。计量泵可根据操作情况采用手动或自动改变容量，重复精度高，并能输出粘度较大的液体。每台计量泵还配备了1台均流器，可以将计量泵的脉冲输出转变为平缓均匀的直线输出，以便于对流量进行记录和累计。计量泵与循环冷却水的补充水量联锁，在系统运行稳定的情况下，实现根据补充水量而自动控制加药量。2. 加氯设备本系统设计2套加氯设备，1用1备，其核心部分为加氯机。加氯机设计选用美国W&T公司生产的V-2100型真空加氯机，其包括真空调节阀、加氯控制柜和水射器3个基本部件。真空调节阀安装在氯瓶间，控制柜安装在加氯间，水射器安装在冷却塔塔下水池附近。当水射器产生的真空通过加氯控制柜传到真空调节阀时，该阀自动打开，并将压力气体调节为真空气体。由于加氯系统为全真空运行，故有效地控制了氯气泄漏，有利于环境保护和操作人员的健康。3. 监测换热设备本系统的监测换热设备设计选用JNM101B型监测换热器。该设备是模拟工艺装置热交换设备的操作参数设计的，能准确地反映循环冷却水系统的结垢、腐蚀状况，同时该设备结构简单、体积较小，具有容易拆卸和操作简单的特点。4. 旁流过滤设备本系统的旁流过滤设备设计选用2台XZGQ-200型全自动重力式无阀过滤器，单台处理能力为200m3/h。与传统的过滤器相比，它无需配套设置自控仪表和反冲洗水泵(或反冲洗水塔)，其滤前进水、滤后出水，反洗供水、反洗排水等均无需设置阀门和人工操作，完全靠水力自动运行，因而具有维护简单，操作、管理方便的特点。（六）监测1. 水质监测为及时分析、了解循环冷却水处理的状况和效果，本系统设置了一些日常监测项目和非日常监测项目，详见表1。表1 循环冷却水水质监测项目2. 运行控制监测本系统的运行控制监测，设计采用自动监测7 (如通过监测余氯值而控制加氯量)和人工化验监测相结合的原则，主要控制参数均在计算机屏幕上显示，以方便操作、管理。三、结论石油化工装置循环冷却用水约占生产总用水量的85%90%，减少冷却水的用量是节水的根本途径，循环冷却水系统如果设计能力偏大，各处理单元能力不匹配，就会造成水的浪费，不能充分发挥循环冷却水系统的节水作用。由于循环冷却水受浓缩倍数的制约，在合成苯乙烯过程中的循