管壳式浓硫酸冷却器结垢原因分析及清洗

管壳式浓硫酸冷却器结垢原因分析及清洗

浓硫酸冷却器有排管式冷却器、管壳式酸冷却器(带阳极保护或不带阳极保护)和板式酸冷却器等类型。排管式冷却器结构简单，建设费用低，对冷却水质无特殊要求。但其因使用寿命短、可靠性差、传热系数低、占地面积大、操作环境恶劣等原因，已被淘汰。带阳极保护的管壳式酸冷却器采用固定管壳式结构，壳程走酸，管程走水，冷却介质采用工业循环水。带阳极保护酸冷却器的主材质是316L不锈钢，壳体采用304不锈钢，并附阳极保护装置。该浓酸冷却器设备紧凑、占地面积小、不易发生泄漏、运行安全可靠、使用寿命长、操作方便。随着耐热浓硫酸腐蚀的不锈钢的研发及工业化应用，诸如SX、ZeCor等高硅奥氏体不锈钢，可用于制作管壳式酸冷却器而无需附加阳极保护。

这种管壳式酸冷却器进一步简化了设备本身的操作，但由于材料价格较高，使用受到了限制。板式浓酸冷却器的材质选择由酸浓、酸温决定。对于酸温小于90℃、w(H2SO4)98%硫酸，可选择HastelloyC-276;酸温在90～120℃时，可选择HastelloyD-205。板式浓酸冷却器因其传热系数高(达3000W/m2K)、占地面积小、操作维护较为简便而被用户认可并采用。但因其价格比阳极保护管壳式酸冷却器要高，其应用受到一定的局限。国内硫酸生产企业大部分采用带阳极保护管壳式浓酸冷却器，个别企业采用不带阳极保护管壳式酸冷却器或板式酸冷却器。本文对某硫酸装置干吸系统一吸酸冷却器结垢的原因进行分析，并提出采用不同的清洗剂和清洗方法进行清洗。该一吸酸冷却器为不带阳极保护管壳式酸冷却器。

1、管壳式酸冷却器结垢原因分析

管壳式酸冷却器用于干吸系统浓硫酸冷却降温，浓硫酸走壳程，循环水走管程。在运行一段时间后，发现干吸塔入口酸温居高不下，酸侧和水侧温差较小。经原因排查，确定酸侧和水侧均存在结垢问题。拆开设备检查发现，酸侧和水侧结垢非常严重。下面就酸侧和水侧结垢原因逐一进行分析。

1.1水侧结垢

浓硫酸冷却器采用循环水冷却。国内大多硫酸生产企业所用的循环水未进行软化处理，即采用工业用水。所以在运行一段时间后，冷却器的换热列管易产生结垢。这主要因为工业用水中含有的Ca2+易生成CaCO3黏结在管壁。通过对结垢成分分析，证明了其主要成分是钙元素。影响钙结垢的因素有很多，比如温度、压力、流速、pH值等。

1.1.1温度对结垢的影响

温度对结垢的影响主要是改变结垢盐类的溶解度，一般结垢盐类在水里的溶解度随温度升高而降低。盐类垢以碳酸盐为主。当温度升高时，Ca(HCO3)2分解产生CaCO3导致结垢，反应方程式为:Ca(HCO3)2→CaCO3↓+CO2↑+H2O(1)该反应为吸热反应。温度升高，平衡向右移动，有利于CaCO3析出。

1.1.2压力对结垢的影响

因CaCO3结垢反应有气体生成，受压力影响较大。压力降低，反应式(1)向右进行，促进CaCO3结垢。

1.1.3流速对结垢的影响

污垢成长率随流体速度增大而减小。当流速增加时，结垢不容易沉积;当流速降低时，冷却介质中携带的固体颗粒和微生物排泄物沉积概率增大，管道结垢的概率也明显加大，特别是在结构突变的部位。

1.1.4pH值对结垢的影响

研究结果表明:提高溶液pH值，碳酸盐结晶速度加快，渐进污垢热阻增大，污垢形成的诱导期缩短，可促进污垢的生长[2];但溶液pH值过低时，易加速金属设备的腐蚀，导致腐蚀结垢。因此，需要综合考虑以上两方面的问题，合理选择介质的pH值，推荐介质pH值在6.5～7.5。

1.2酸侧结垢

通过对酸侧结垢成分分析，发现主要成分为硅元素。分析其原因并通过对生产水化验分析，发现结垢中硅含量较高，说明酸侧结垢的主要成分是硅胶。酸侧结垢主要是由于干吸系统补充水里含有的SiO2形成硅溶胶。硅溶胶为纳米级的二氧化硅颗粒在水中或溶剂中的分散液，又名硅酸溶胶，或二氧化硅水溶胶。由于硅溶胶中的SiO2含有大量的水及羟基，故硅溶胶的分子式可以表示为mSiO2·nH2O。粒子多以球状单个或多个聚集，胶体微粒直径一般在10～100nm。由于是浓硫酸环境，硅溶胶内的水分被浓硫酸吸收。硅溶液在失去水分时，单体硅酸逐渐聚合成高聚硅胶。随水分的蒸发，胶体分子增大，最后形成-SIO-O-SIO-涂膜。其具有良好的黏结性，会牢固地附着在换热管的表面。由于硅溶胶的粒径较小，其具有较大的比表面积(为50～400m2/g)。硅溶胶具有较大的吸附性。硅溶胶中无数胶团产生的无数网络结构空隙，在一定条件下可吸附溶液中的无机物和有机物。某干吸系统一吸酸冷却器采用不带阳极保护的管壳式酸冷却器。一吸塔补充水量为8m3/h，补充水中SiO2质量分数为0.004%。运行1年时间后，取出冷却器酸侧污垢分析，SiO2质量分数为78.61%。由于硅溶胶具有较强的吸附能力，可吸附设备、管道内的杂质，并在酸侧管壁上形成颜色很深的污垢。

2、管壳式酸冷却器污垢清洗方法

由于酸冷却器结垢产生的污垢增加了流体与传热面之间的传热热阻，不仅降低其传热性能，而且还会减小管道的流体截面积。在流量维持恒定的情况下，导致流体流速增大。污垢还会导致管道表面的粗糙度增加。这些都会引起壳程的阻力增大。酸冷却器污垢清洗分为水侧污垢清洗和酸侧污垢清洗。由于结垢的成分不同，需采用不同的清洗剂和清洗方法。一般水侧污垢采用酸洗，酸侧污垢采用热碱洗。

2.1水侧污垢清洗

水侧污垢清洗程序为水冲洗—酸洗—中和—水冲洗—钝化。化学清洗具体操作步骤有:①根据设备清洗流程图连接设备、管道;②将缓蚀剂加入循环水槽中;③然后加入工业硝酸，将清洗液配成w(HNO3)为10%～12%的硝酸溶液;④酸洗过程中每隔30min进行酸液浓度测试，当清洗液w(HNO3)低于4%时，则需补酸;如发现清洗液浓度过高时可加水调节，同时按比例加缓蚀剂及硝酸;⑤当清洗液浓度不再变化、不再有气泡产生时即确定清洗完成;⑥将酸液排去，用大量清水冲洗，用pH试纸测试其pH值大于或等于7时，确定清水冲洗完成。

2.2酸侧污垢清洗

酸侧污垢清洗程序为碱洗—水冲洗—钝化。具体操作步骤有:①根据设备上的管口连接管道;②配置w(NaOH)为2%的NaOH溶液，并将溶液加热至80～93℃;③维持循环液pH值大于或等于8;④当清洗液浓度不再变化即确定清洗完成;⑤将碱液排去，用大量软水冲洗，用pH试纸测试其pH值小于或等于7时，确定软水冲洗完成;⑥开启浓酸循环泵，钝化管道。

3、酸冷却器清洗后使用效果

某装置一吸酸冷却器运行1年多时间，由于酸侧和水侧结垢，传热系数下降，循环酸温差和循环水温差均较小，干吸塔入口酸温度长期较高，对生产操作造成较大影响。经过对酸侧和水侧污垢进行清洗后，酸冷却器的换热能力得到了恢复。清洗后的酸冷却器换热管。清洗前后酸冷却器工艺参数对比。

4、结语

浓酸冷却器换热效果降低，主要是因为其换热管道结垢引起的。冷却器水侧和酸侧均有可能形成结垢。水侧污垢主要成分是CaCO3，酸侧污垢主要成分是硅溶胶。为防止水侧结垢，应控制循环水中钙、镁离子浓度及pH值，防止酸侧结垢，应控制干吸系统补充水中二氧化硅质量浓度。如条件允许，尽量采用除盐水作为补充水。对已结垢的酸冷却器进行及时、合理地清洗，可提高酸冷却器的使用周期及换热效率，确保干吸系统的稳定运行。