常减压装置中换热器污垢在线清洗技术

常减压装置中换热器污垢在线清洗技术 北京化工大学学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名:鲎盘垒日期:丝:笪:～ 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定，即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释:本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授权书。非保密论文注释:本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 导师签名:辎作者签名:拯日期:～垒兰:』 日期:丝,兰矽:, 学位论文数据集 ——————————————————————————————————————————————— 中,争分类号论文编号学位授予单位代码 作者姓名获学位专业名称 课黟来源论文 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目关键词论文答辩日期 ,,,,(,(,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,, 学科分类号密 级 ,,,,, 公开北京化工大学 ,,,,,,,,,,,,,,,, , 学位授予单位名称 学 号 尚彦芝机械工程横向、纵向课题 获学位专业代码 研究方向过程装备的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与技术 换热器污垢;在线清洗;壳程流场 ，论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 ——————————————————————————————————————————————— 姓名 指导教师评阅人,评阅人,评阅人,评阅人,答辩委员会主席 答辩委员,答辩委员,答辩委员, 何亚东王华庆李国昌薛平何立东张东胜颜廷俊蔡晓君李国昌刘 湘晨 职称教授高工副教授 工作单位 学科专长化工设备设计机械设备机械设计 北京石油化工学院 北京燕山石化公司北京石油化工学院 研究员、博导 教授、博导 高工 北京化工大学北京化工大学北京燕山石化公司 聚合物加工故障诊断机械设备聚合物加工 研究员、博导研究员、博导 副教授教授 北京化工大学 北京化工大学 答辩委员, 答辩委员,答辩委员, 注 ——————————————————————————————————————————————— 减振和密封 工程测试与测量 石油机械 北京化工大学 北京化工大学 一二三 四 论文类型:,(基础研究,(应用研究,(开发研究,(其它 中图分类号在《中国图书资料分类法》查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准(,,,,,,,,,—,)《学科分类与代码》中查询。论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 ， 摘要 摘要 传热过程中形成的污垢严重影响了设备的正常运行，致使设备能耗产生极大浪费，因此符合经济、环保、,肖能理念的换热器在线清洗技术已成为目前研究的热点。本课题以石化行业常、减压蒸馏装置中换热器的复合污垢为研究对象，研究污垢形成机理和清洗机制，设计换热器在线清洗流程及装置，同时通过流体力学 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 软件建立换热器内部流场与外在清洗装置的动力匹配关系。主要工作如下: (,)研究污垢的形成过程及其影响因素，提出有效的换热设备——————————————————————————————————————————————— 防垢措施;分析污垢的化学清洗机制及影响因素，确定在线化学清洗的关键点:清洗剂浓度、换热面温度和清洗剂流速。 (,)完整设计换热器在线清洗流程及整套清洗装置。换热器在线清洗加热装置包括电加热炉、,型管换热器、清洗液过滤储槽、热油泵、清洗剂输送泵等部件组成。在确定零部件结构尺寸后，运用,,,,,软件完成整套清洗装置的三维模型的建模和组装。 (,)利用,,,,,,分析换热器壳程流场，依据最小阈值理论(雷诺数,,达到,,,,,时，流体机械作用对污垢才有明显清除作用)以及埃索压降公式，计算与外在清洗装置的动力匹配关系。 本研究成果不仅能为换热器在线清洗除垢技术提供实验数据，而且从理论上为换热器在线清洗装置提供动力设计，进而推动在线清洗技术工业化实施。,,,,, ————————————————————————————————————————————————,二二—————————一 关键字:换热器污垢，在线清洗，壳程流场北京化丁大学硕,:学位论文 ，， ,,,,,,,, ,,—,，,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,，,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,，, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,, ;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,？,,,,,,,,,,,,,,,,，,,, ,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,;,,,,,， ,,,,,曙,(;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,唱,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,, ;,,,,,,,,,,,,,？,,,,,,,,,,,,,,(，,,,,,,,,,,,;,，;,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,—,,,,;,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,——————————————————————————————————————————————— ,,,,(，,,,,,,,,,,, ,,,,;,，,,,,,,,,,;,;,,;,,,,,,,,,,,, ,,？,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,: 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,,,,,,,,:,,,,,,;,,,,,,,,,,,,——————————————————————————————————————————————— ,，,,—,,,,;,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,，, 日录 目录 第一章绪 论((((((((((„((((((((((((„„(((((((„„(((((,,(,概 述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((,,(,在线清洗技术„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,(,(,常用在线清洗技 术„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,(,(,国内外在线清洗技术应用发展现 状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,(,清洗技术存在的主要问题„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,(,本论文工 作„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„, 第二章换热器污垢形成及清洗机 制„„„„„„„„„„„„„„„((,,。,换热器污垢概论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,(,(,污垢分 ——————————————————————————————————————————————— 类„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,(,污垢的形成过 程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,(,污垢影响因素分 析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(,,,(,(,换热器运行参数的影 响„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((,,,(,(,换热器结构参数的影 响„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((,,,(,(,流动介质性质的影 响„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((,,,(,(,防垢对 策„„„„„„„„„„„„„„„((((„„„„„„„„„„„„„„,,,(,清洗机 制„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(,,,(,(,化学试剂的作用机 理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((,,,(,(,化学清洗的机 制„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((,,,(,(,影响清洗动力学的因 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结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,, 第四章壳程流场模 拟„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,,(,在线化——————————————————————————————————————————————— 学清洗遇到的问 题„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(,,,(,壳程阻力损 失„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(,,,(,(,壳程流路分 析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((,,,(,(,壳程阻力损失理论计 算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((,,,(,壳程流场数值模 拟„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(,,,(,(,建立模 型„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((,,,(,(,模拟结 果„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„一,,,(,(,折流板优化策 略„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((,,,(,小 结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,, 第五章经济可行性分 析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,,, ,,,,,,,,经社市济会场效效预益益测,, ——————————————————————————————————————————————— 第六章结 论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„,,参考文 献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((,, ,， 日录 附 录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((,,致 谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((,,研究成果和发表的学术论文„„„„„„ ,„„„„„„„„„„„„,,作者和导师简 介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((,,,，, ,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,，,,,,,,;,,, ,(((((((((((((((((((。(((((((。((((((((((((,,(,,,,, ,, 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么壳程圆筒内直径横截面积，,聊以预紧状态下需要的最小螺柱面积，聊聊,,实际使用的螺柱总面积，聊,,厶需要的螺柱总截面积，,聊,厶操作状态下需要的最小螺柱面积，,聊,,圆筒壳壁金属横截面积，聊聊,,管板布管区面积，聊,,臼螺柱有效承载面积，,,,,垫片有效密封宽度，朋脚玩垫片基本密封宽度，朋朋够管板延长部分形成的凸缘长度，,,,厚度附加量，所,,钢材厚度负偏差，,,,腐蚀余量，聊聊口圆筒或球壳的内径，,坍见螺柱中心圆直径，聊,砬垫片压紧力作用中心圆直径，埘,,,管板布管区当量直径，,聊？管板材料的金属弹性模量，脚口,圆筒材料弹性模量，,阮辱换热管金属材料弹性模量，脚口,设计温度下换热管材料金属弹性模量，脚以 ,，，， 北京化工大学硕士学位论文 尼 辱法兰垫片压紧力，?流体静压总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体静压轴向力之差，?？ , 巧 ——————————————————————————————————————————————— , (巧一 ( 巧,髟一 七 三 , , , ， , ,, ,, ,, ,,, ,, ,一啦 ,,系数系数管板边缘旋转刚度参数管束模数壳程圆筒旋转刚度参数管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数旋转刚度无量纲参数管板周边布管区无量纲参数换热管有效长度，所聊螺柱中心至,作用位置的径向距离，聊,螺柱中心至圪作用位置的径向距离，研聊螺柱中心至巧，作用位置的径向距离，聊脚换热管与管板胀接长度或焊脚高度，——————————————————————————————————————————————— ,啪换热管受压失稳当量长度，坍掰基本法兰力矩，?(埘掰法兰操作力矩，?(聊聊法兰设计力矩，?(聊聊壳体法兰力矩系数管板边缘力矩系数管板边缘力矩变化系数管板总弯矩系数第一弯矩系数 ,，, 符号说明 ,第二弯矩系数聆换热管根数 隔板槽一侧排灌根数,螺柱数量朋管板设计压力，脚日以壳程设计压力，脚口鼽壳程设计压力，御口 ,换热管与管板连接的拉脱力，脚口 ,许用拉脱力，脚口,换热管中心距，所,,隔板槽两侧临管中心距，聊,,管板边缘剪切系数 形螺柱设计载荷，?,预紧状态下需要的最小螺柱载荷，?,操作状态下需要的最小螺柱载荷，?,系数 叹壳程圆筒轴向应力，脚,町壳体法兰应力，脚口？壳体法兰应力，脚口 ？管半径向应力，此砌(管板布管区周边径向应力，此砌 管半径向应力系数,咋,(？管板布管区周边径向应力系数,设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力，脚, 北京化工大学硕士学位论文 ,常温下螺材料的许用应力，脚口陟设计温度下螺柱材料的许用应力，脚口万圆筒或球壳的计算厚度，,所力圆筒或球壳的设计厚度，肌聊瓯圆筒或球壳的名义厚度，,脚,延长部分做法兰厚度，聊聊(露——————————————————————————————————————————————— 壳体法兰厚度，朋聊。,管箱法兰厚度，川,瓯管箱圆筒厚度，,聊瓯壳程圆筒厚度，掰聊‘平盖设计厚度，,,(‘操作状态下平盖设计厚度，脚所《预紧状态下平盖设计厚度，所所刁管板刚度削弱系数孝法兰力矩折减系数?管板强度削弱系数 管板布管区周边剪切应力，脚以,,乃管板布管区周边剪切应力系数矽焊接接头系数 系数 缈,热量，, ,功率，,, ,密度，磁(研,一 第一章绪论 第一章绪论 ,(,概述 作为自然界的一种普遍现象——污垢，因其关系到换热设备的经济安全而受到人们的关注。对于污垢的观测和研究的历史几乎与人类用火的历史同龄，但因其危害虽大，却是渐变过程且表现隐蔽;涉及领域虽广，却是处于各学科的边缘。因而，一直到,,世纪,,年代出现能源危机后，才逐渐形成了换热设备污垢这一新兴领域。随着研究队伍不断壮大，研究成果也显著增多，但是却分散在各个相关领域。,,,,年，英国伯明翰大学教授,,,,,,，,,撰写的《,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,》比较全面的介绍了换热设备污垢的基本内容。此前，,,,,,,;,,,,卜,对换——————————————————————————————————————————————— 热设备污垢做了一个比较严谨的说明:换热面上妨碍传热以及增加流体流过换热面时的阻力的沉积物。 换热器是石化行业使用最广泛的设备之一，占设备数量的,,,以上。换热器结垢会严重恶化装置的工作性能，装置的清洗对于延长设备的寿命，保持生产效率和安全运转是一项很重要的措施。过去，当设备结垢后而不能正常运转时才会进行清洗，而现在，化工装置的清洗是为了降低能耗，保持设备达到预期的功能。据国外资料统计，因污垢引起的维修费用大约占总费用的,,,，所造成的损失占国民生产总值的,(,,，传热设备污垢使美国相关部门每年损失,,(,亿美元，使整个西方炼油工业每年经济损失高达,,(,,亿美元。相关数据显示，换热设备污垢导致换热器传热效率下降，严重可至下降,,,。”。由换热器的污垢问题造成的浪费和损失是非常巨大，使得该问题备受各界关注。为了保证化工生产的正常效率，完全有必要对有污垢的管道和装置进行清洗，清洗技术对石油化工行业具有重要的意义，不仅能够实现设备高效运转，还能延长设备寿命，为企业带来更大利益。 为此人们采取了一系列除垢措施，诸如停工检修采用蒸汽和水力冲洗或机械方法除垢，以及近年来普遍采用的高压水射流清洗技术、化学清洗技术等,一’。清洗技术大体分为机械清洗和化学清洗。但是，上述的办法都存在着工耗大、洗净能力差、劳动强度高以及对环境污染严重等问题。 ,(,在线清洗技术 ——————————————————————————————————————————————— 在线清洗技术(,，,，,,,,,,,,,,,,,,;,)发展始于,,世纪,,年代乳品的生产，旨在提高产品质量，延长产品寿命。在线清洗技术存在两种定义:定点清洗和在线清洗。定点清洗(,,,,,,,,,，，,,,,,,,,,)是清洗设备已安装在生产装置内，日常生产时， 北京化,人学硕:,:学位论文 可通过工况决定不启或关闭清洗设备，以控制污垢的生成，该技术已经应用于罐、釜等装置的清洗中。在线清洗(,,—,,,,,,,,,,,,)是定点清洗的延伸应用，可以将一条生产线全部纳入清洗范围。该清洗工艺,’不需安装临时系统，而且不需单独安排工期，在设备『,常运行的情况下，通过向设备内加入清洗剂，在一定环境下，通过清洗剂作用在垢层和基体之间，产生界面效应，使垢脱落。清洗剂中强分散剂组分将其分散成极细的颗粒，通过系统排污装置，将其排出设备。这不仅能将垢逐步清除，还可以防止结垢物质在受热面上沉积。这种清洗剂具有极强的渗透性，除垢的同时，在基体金属表面形成保护层，能有效地把基体金属与环境介质隔离，从而保护基体金属不受侵蚀。 在线化学清洗是结合了化学清洗与在线清洗两种技术，所用药剂以及作用原理与化学清洗大致相同。在线化学清洗与化学清洗最大的不同，就在于装置不用停止运行。目前，在线化学清洗技术已经在食品、制药、化工和生物技术工艺中得到越来越广泛的应用一’。食品行业中，牛奶生产过程中的在线清洗、啤酒生产过程中的在线清洗皆——————————————————————————————————————————————— 采用在线化学清洗技术，如巴氏杀菌器、发酵设备及其设备管道的在线清洗,,书,。上海森松制药设备工程有限公司研制的,，,在线清洗工作站，不仅可有多种形态组合可供选择，还能利用电导率进行不同浓度清洗剂的自动配制和清洗效果自动检测。国内在线清洗技术还处于发展不全面的水平，强化在线清洗意识，普及在线清洗知识，加强在线清洗技术的理论研究，开发质优价廉的在线清洗设备，改良在线清洗工艺，优化在线清洗成本，提高在线清洗技术的自动化程度，是目前国内工程技术及装备行业的一个重点„。 ,(,(,常用在线清洗技术 (,)电水脉冲技术 电水脉冲技术已在一些欧洲国家应用和发展，该项技术清除污垢是靠高压电能量引起的壁面金属变形破坏污垢结构。高电压在液体中放电，冲击能量形成液压流，这种能量可以使金属产生塑性变形。 (,)胶球在线技术 上世纪,,年代，国外热电行业凝汽系统开始引入胶球清洗技术，并得到良好发展。受微压的海绵胶球在流体推动下借助弹力研削壁面污垢，达到清洗效果。经过不断改革，现应用的换热器管程胶球在线清洗技术在原始技术基础上结合了流体定向切换和胶球收放，开发了胶球在线清洗整套清洗装置。该装置的成功应用使得清洗操作变得简单，减少了拆装设备等额外的成本，延长了换热器高效运行的时剐,,,。 (,)管内插入物技术 ——————————————————————————————————————————————— 管内插入物技术与胶球清洗技术原理相类似，在流体作用下，插入物会产生沿’ 第一章绪论 各个方向上的振动，增大管内流体扰动以清除污垢。此技术也可用来抑制污垢的形成，足很好的防垢措施。通常，在流速为,(,,,州,的低流速工况下利用此方法，,,,的污垢可清除干净，提高流速清洗效果更佳，这种清洗技术明显适用于流体介质粘度高、杂质多、容易形成污垢的情况。需要注意的是，插入物的振动一定程度上会损伤壁面。 图,—,管内插入物在线清洗技术 ,,,(,—,,,—,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,, (,)超级清洗技术 超级清洗技术英文名称为,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，简称,,,技术。该项技术主要利用原有设备建立热循环，循环介质以催化柴油为主辅以清洗药剂，对热交换器迸,(。,,,，线清洗。清洗废液可直接与原油混合，回炼利用;常压蒸馏装置热交换器污垢人多是重质油垢，这种污垢粘性虽大但易溶于柴油，经过回炼加工仍可再用，保证无废水、废液产生，节能效果显著。 ,(,(,国内外在线清洗技术应用发展现状 周期性清除表面污垢是保持换热器在运行阶段高效率的必要手段，这就导致定期的停工停产，增加了不必要的劳动强度，致使维修——————————————————————————————————————————————— 成本明显提高。国外对换热器清洗技术极为重视，组织专业的清洗公司。针对不同的运行环境，采取最适合的清洗方法，并研究了专门的清洗设备和工具，如化学清洗车、管束拔出装置等。,,,,年以前，我国石化行业遇到换热器堵塞往往会在停工检修时，采用蒸汽或水力冲洗等机械除垢方法来进行处理，高压水射流清洗技术被普遍采用。科技不断进步，现在高压水射流清洗不再是企业解决换热器堵塞问题的唯一方法，各种在线清洗技术和防垢技术已越来越多的投入应用【,,,。 中国蓝星集团是中国现代清洗业的鼻祖，是一家技术门类齐全、装置在国内处领先水平的清洗工程公司。“六五”以来，石化、电力、冶金等行业中的国家重点大型成套装置的清洗工程均由蓝星集团承担，蓝星集团的工业清洗剂年销售量长期稳居全国第一。上海蓝星清洗公司致力于化工设备的在线清洗，如大型装置开车前清洗、设备维护,维修在线清洗、化工厂各种设备(如反应釜、吸收塔、再生塔、合成塔、工艺管线等)清洗、防腐等。 北京化,人学硕,,学位论文 江苏天鹏石化特种工程有限公司引进前面所述的,,,技术，并获得了可观的经济效益。,,,,年中国石油大庆石化分公司炼油厂采用在线化学清洗获得成功。,,,,年，中国石油化工股份有限公司洛阳石化分公司炼油厂运用,,,技术清洗了常减压蒸馏装置，效果显著。沈阳石蜡化工有限公司对黏泥淤积较多的换热器进行了清洗，采用物理清洗和化学清洗相结合的在线清洗技术:将空气鼓入换管程，——————————————————————————————————————————————— 搅动水流，利用水中气泡对管壁进行冲击，使沉积物破碎松散脱离壁面;建立一个相对封闭的循环系统，加入清洗化学品，并不断调整及监测。据粗略估算，在月盈利在,,,万元的企业中，如果停车检修一周，会造成,,,多万元的利润损失，而在线清洗仅花费了,万多元，经济效益十分显著。 在线清洗技术在石化行业的成功应用，结束了必须停工处理常减压蒸馏换热器结垢的历史，为保证常减压装置长周期运行，降低检修成本提供了较好的方法。与传统的机械清洗相比，不仅可以有效解决装置冷却器结垢堵塞，更重要的是可以大幅节约清洗时间。因此，在线清洗技术在石化行业的应用具有重要的现实意义，经济环保，安全可靠，具有广泛的应用前景【,,。,,。 ,(,清洗技术存在的主要问题 近十多年来，传统污垢清除技术得到不同程度发展，一些新兴技术和其他领域的技术也为除垢添加了新的手段和设备，如碎冰清管技术(,;,(,,,,,,,)、空气爆破清洗技术、兆赫超声清洗技术、激光清洗技术【,,,等。但是，这些新技术还没有在换热设备污垢清洗中推广应用。在除垢技术的发展应用和设备完善方面，已经取得了很大进展，但是在清洗机理和清洗策略方面的研究还甚少。因而，大多是盲目清洗，没有将除垢策略当作换热设备运行维护手段【,引。目前换热设备清洗方法存在以下这些问题: (,)换热设备在拆卸或吊装过程中，需要大型吊车和拖板车配合，对设备的管束和折流板损伤很大，会导致换热器的使用寿命缩短，——————————————————————————————————————————————— 加快换热器管束的堵塞。 (,)清洗只是针对管束内壁或换热器壳程进行清洗，而换热器连通部分不做处理，这样仍然会影响换热器换热效果。 (,)投入大量的人力物力，拆卸及吊装换热器时，存在安全隐患。 (,)清洗周期较长。根据近几年的统计，清洗一台换热器平均需要,,小时左右，这其中还不包括对换热器保温恢复等工作。 (,)现有的清洗方法，造成的废弃物不进行回收处理，对环境造成污染。 换热设备的清洗技术是一个跨学科的研究领域，涉及了化学、材料学、金属腐蚀学、材料成形等多种学科。该项技术的研发必将推动相关学科及工业技术的发展，, 第一章绪论 展望石化设备清洗技术的未来发展:研发出更环保、功能性更强的化学清洗剂，拥有更成熟的不停工在线清洗工艺，研制出防垢的换热面材料或表面处理方式，融入更多的新兴技术元素。如与自动控制技术相结合实现清洗过程的自动化;建立专家诊断系统，辅助人员诊断清洗设备、设计清洗配方以及选择最佳清洗方案;添加计算机辅助设计，优化设备内部结构及和工艺参数，提高设备工作能力和效率。 石化行业设备清洗技术的目标永远是绿色环保、低耗能、高效率，随着清洗剂及清洗设备的不断优化、清洗工艺的不断革新，换热设备清洗技术一定会将取得更大的发展，,川。 ——————————————————————————————————————————————— ,(,本论文工作 常减压装置是常压蒸馏装置和减压蒸馏装置的总称，两个装置通常连在一起，因此称为常减压装置。常减压装置中生产工序包括原油的脱盐脱水、常压蒸馏和减压蒸馏。原油中往往含有杂质，主要是含盐氧化物和呈乳化状态的水，这些杂质往往导致设备的腐蚀、内壁面结垢和影响成品油品质，因此，这些杂质必须在加工前脱除干净，常减压蒸馏也就是原油的一次加工。因此，石化行业中常、减压蒸馏装置最易结垢，且污垢类型以油垢为主，此油垢是一种粘性附着物。目前这种类型的污垢在现场清洗时，主要以高压水射流方式进行清除。高压水射流清洗技术不但需要专门清洗设备，而且清洗设备对清洗水质的要求也很高，清洗过程中工人劳动强度大，清洗周期长。若采用化学清洗，则要兼顾清洗液清洗效果和废液排放问题。日本的,,,技术采用以石化生产中的催化柴油为清洗母液，考虑到污垢类型为油垢，而清洗液也为油性，该清洗方法遵从了相似相溶原理，通过向催化柴油中添加油溶性清洗剂就可以达到溶解并去除污垢的目的，清洗后的废油可以与原油一起重新炼制，不存在废液排放问题，经济环保可行。 本着经济、环保、节能的目标，本项目以石化行业最易结垢的催化裂化装置及常、减压蒸馏装鼹中的换热器为清洗对象，研究污垢形成过程和清洗机理;针对污垢形成过程研制溶垢清洗剂，在配方的基础上设计开发一套换热器在线清洗装置;通过理论计算和仿真模拟，结合实验验证得到清洗循环所需装置动力大小等，拟开发一种真正意——————————————————————————————————————————————— 义上的换热器在线清洗的方案。其中，项目组其他人员在实验基础上已基本确定溶垢型清洗剂配方。本论文主要研究内容包括以下几个方面: (,)换热器污垢形成机理和清洗机制 换热器污垢形成机理是清洗机制的基础，只有深入研究污垢形成过程，才能更好的理解清洗机制，才能更好的把握清洗动力学。清洗机制和清洗动力学是清洗过程的基础，只有深入了解两者，才能使清洗设备的设计可靠性高，实现清洗过程最 北京化,人学颂(卜学位论文 优化。 (,)在线清洗工艺流程及整套清洗系统设计 依据化学工艺原理，制定切实可行的换热器在线清洗工艺流程;根据在线清洗装置工作原理完成清洗设备的结构设计。自行设计的油垢类污垢换热器的在线清洗系统，主要由换热器、清洗剂过滤储槽、泵、加热装置以及连接管路等组成。泵将加热后的清洗剂抽送入需清洗的换热器，清洗剂流经换热器后，过滤储槽将大块污垢滤出，清洗剂通过连接管路、法兰连接、球阀等形成循环回路。系统中各设备零部件主要参考国家标准设计，利用三维软件进行模型建立及装配。 (,),,,,,,模拟换热器壳程流场 清洗动力学理论计算，结合仿真保证清洗实验的成功。换热器壳程流体流动是相当复杂的，通过这种模拟，可以得到流场内基本物理量的分布，以及这些物理量随时间的变化情况。利用,,,,,,软——————————————————————————————————————————————— 件模拟得出的数据与理论计算、实验结论进行比较，确定清洗循环动力，进一步改良清洗流程及装置的设计。 本论文各章节是按上述研究内容排序的，第二章主要是研究污垢的形成机理和清洗机制，第三章包括清洗工艺流程及清洗系统的设计，第四章则是,,,,,,数值模拟及理论计算清洗系统循环所需动力大小。, 第二章换热器污垢形成及清洗机制 第二章换热器污垢形成及清洗机制 ,(,换热器污垢概论 污垢，就是指与流体接触的璧面上积聚起来的固态或软泥状物质，它通常以混合物的形态存在。壁面从洁净到被污垢覆盖的过程，就是污垢的积聚，人们常称之为结垢或者污染。污垢存在于日常生活中以及各种工业生产过程中，特别是各类传热过程中。美国管式换热器制造商协会将污垢热阻称为污垢系数，这是一个不随时间变化而变化的单一数值，是用来考虑污垢对换热器性能影响的污垢热阻值。污垢不仅恶化换热器的传热性能，增加了能量消耗，而且随着污垢层厚度增加，流通面积减小，在流量恒定的情况下，导致平均流速的增大。此外，污垢使流道的粗糙度增加，增加了摩擦阻力损失和局部阻力损失，这必然引起整个换热器的流动阻力的增大。为了维持换热器的传热效率，只有通过增加泵或风机的耗功率来保证。污垢的积聚常常会引起局部过热或超温，导致设备机械性能下降，局部腐蚀乃至穿孔，容易引发事故，严重威胁换热设备的安全运行，,引。 ——————————————————————————————————————————————— 尽管换热设备污垢危害面很广，但是公众对它缺乏普遍的认识。一是它处于各个学科的边缘，没有系统的理论依据;二是其带来的后果只是给各种工业生产带来了“小麻烦”，因此长期以来没能引起相关人员的足够重视。污垢的研究现状可概括为:理论框架有待充实，核心理论有待突破，研究成果多属“小进步，大收益”，易受市场关注。另一方面，污垢是国家当前高新技术产业化的重点方向之一，新能源和节能技术的重要组成部分，也是其他技术的边缘或相关部分。因此，对于污垢研究的任何原创性成果，都会直接或间接有利于新技术的发展，贡益于节省能源、降低耗功、节约用水、环境保护的进步，是促进经济和社会可持续发展的不可缺少的一环。 ,(,(,污垢分类 为了集中注意力于工业污垢的最普遍、最一般的特性，将工业污垢按工艺过程分为普通污垢与工艺过程污垢。一般与传热有关的工业生产过程可概括为三个部分。作为热源，一般是蒸汽或者燃气，在这里热源所释放的热量传给工艺介质形成产品后送往冷源，在那里将余热传给冷却介质。在热源、热汇中往往都有固体换热面将加热介质或冷却介质与工艺介质隔开，尽管污垢在换热面的两侧都可能发生，但两侧的污垢却有明显的不同:发生在工艺介质侧的污垢都和具体的工艺生产过程密切相关，其特性千差万别，成为工艺过程污垢;而发生在各个工业生产中的热源、热 北京化,,人学硕,,(学位论文 汇侧的污垢则有着许多的相似的特性，这些便是所谓的普通污垢。 ——————————————————————————————————————————————— 按工质状态，可以将污垢分为液侧污垢和气侧污垢。在污垢研究过程中，液侧污垢通常是液态工质与换热面接触所形成的污垢。一般来说，液侧污垢可粗略的分为两大类:水垢和污泥。常见的水垢，在蒸发设备中主要有碳酸钙、硫酸钙、硅酸钙、镁垢、氧化铁和磷酸盐等。在冷却水系统中通常是一些钙、镁盐类。污泥发生在冷却水系统。污泥具有两个很重要的特性，这就是所谓的内聚性和黏着性。因此，污泥通常是连成‘一片的，不论是在粗糙便面上还是很光滑的表面上都能很牢固的黏附其上。 除了以上分类，污垢也可以依据工艺过程、工质状态、换热器的型式、污垢随时问变化特性、污垢形成的主要物理,化学过程、有无相变等进行分类。在第六届国际传热大会上，,,,,,,,提出了有利于污垢特性研究和认识的机制分类，按照引起污垢沉积的主要物理,化学过程，污垢分为七类:析晶污垢、颗粒污垢、化学反应污垢、腐蚀污垢、生物污垢、凝固污垢和混合污垢。其中，化学反应污垢是指沉积物是由由化学反应形成且换热面材料本身不参与此化学反应。碳氢化合物的聚合和裂化产生的污垢就是化学反应污垢的典型实例，我们所研究的常减压装置中的油溶性化合物污垢也是一种化学反应污垢。 ,(,污垢的形成过程 污垢不是某种单一过程作用形成的，多种复杂作用中还存在质量、热量和动量的交换。因此，有很多因素可以改变污垢的形成过程，例如换热设备结构、换热设备壁面材料的性质、流体介质的性质等。这——————————————————————————————————————————————— 些因素的参数不同决定了多种多样的污垢特性，,,,。综合各类污垢形成过程，起始、输运、附着、剥蚀和老化五个阶段是都要经历的【,„。这五个不同的阶段可以依序伴随发生，也可以同时发生，如输运与附着伴随发生，老化和前四个阶段会同时发生。 (,)起始阶段 这个阶段从污垢组分接触换热面开始，到污垢组分完全将换热面覆盖结束。这个阶段由污垢组分与换热面的作用向污垢组分与污垢层作用的过渡阶段。这里存在一个不同的时问概念——诱导期，诱导期与起始阶段同开始，到污垢导致的传热热阻等于污垢层导热热阻时结束。一般来说，起始阶段越长，污垢系统的诱导期也就越大，但是污垢层生长速度缓慢，诱导期可能小于起始阶段，也可能大于起始阶段。对于化学反应污垢来说，在诱导期内换热面的壁面温度越高，化学反应速率越大，化学反应污垢形成越快，诱导期也就越短。值得注意的是，新表面比结垢以后清洗干净的表面具有更长的诱导期。在诱导期内，换热壁面逐渐满足污垢生长所需要的 第二章换热器污垢形成及清洗机制 条件。 一般来说，在起始阶段污垢对流通面积的影响很小，但是壁面粗糙度可能发生较人变化。这是因为在起始阶段发生前后，壁面粗糙度由金属粗糙度逐渐变化为污垢层的粗糙度。 (,)输运阶段 在此阶段，污垢组分主要受四种不同过程作用，分别是布朗扩散——————————————————————————————————————————————— 运动、流体对流、外力推动和粒子本身惯性作用。与不同过程相对应的粒子输运驱动力有四类，‘是该物质的浓度差，二是流体运动，三是外力(热泳、电泳、重力等)驱动，四是惯性。当污垢物质粒子大到一定程度后，惯性才有可能成为粒子运输的主导作用。 (,)附着阶段 附着过程是伴随着输运过程发生的，当两个物体之问有了直接接触的界面，且在任何方向力的作用下这个接触仍能维持，那么这两个物体就是彼此附着了。流体中的颗粒物质，只有在忽略重力的情况下，也就是粒子直径小于,微米的时候，颗粒物质才会附着于换热表面，形成污垢。在壁面被污垢组分铺满前，粒子先与壁面发生附着作用，之后是粒子之间的附着作用。污垢粒子与换热面发生附着作用时，主要三种力的作用:波恩斥力、,,,,,,,,,,,力和双电层斥力。两个接触物体经过表面运动和变形后形成充分接触面时，才有足够强的,,,,,,,,,,,力促使粒子附着于表面形成污垢，也就是说附着过程需要一定的时,白,。 (,)剥蚀阶段 这个时期内，换热面污垢以离子、颗粒和大块三种不同形态脱离原组织，被流体冲刷带走。对应不同的污垢形态，剥蚀的过程不同，离子对应着溶解，颗粒对应着磨蚀，大块对应着剥落。剥蚀过程不同，影响因素也就不同。其中，流体流速、粒子大小、粒子与壁面的作用力主要影响磨蚀过程，而剥落过程主要由热应力、污垢内部结构和内应力、污垢与壁面的结合状况和污垢组分溶解度等因素决定。在实际——————————————————————————————————————————————— 的污垢形成过程的剥蚀阶段中，上述的两个甚至所有过程都有可能发生。 (,)老化阶段 不同类型的污垢老化阶段表现不同，析晶污垢主要表现为晶体结构的变化，生物污垢主要表现为微生物的中毒死亡，其他类型污垢主要表现为污垢组分的聚合、热应力引发的效应及接触面状况的改变。污垢特性在老化阶段发生变化引起其他过程随之改变，尤其是剥蚀过程变化尤为显著。以生物污垢为例，开始的剥蚀主要是以微粒形式进行，也就是以磨蚀为主:经过一段时间后，剥蚀则是以肉眼可见的大块或大片脱离，也就是以剥落为主。剥蚀过程变化的原因，主要是污垢老化，微生物死亡导致污垢不再粘附于壁面。 很多化工过程，如热裂化，聚合物和其他化合物的生成中，都有碳氢化合物的加热或冷却。在这些化合物与换热面接触过程中，经常发生化学反应污垢。要确立 北京化工人学硕【,学位论文 形成污垢的实际反应很不容易，因为它包含了复杂的反应动力学。导致化合物物质沉积的化学反应机理主要包括三种:裂化与焦化、自氧化和聚合反应。裂化与焦化主要是高温气相反应的机理。自氧化是一种有机物或者无机物和空气或氧气在常温、常压下所进行的不伴随燃烧现象的自发的缓慢氧化过程。这类过程是低温下换热设备污垢形成的关键机理。聚合反应是一种放热反应，是由单体合成分子量较高的化合物反应。当聚合物不溶于溶剂时，污垢就容易产生。 ——————————————————————————————————————————————— ,(,污垢影响因素分析 ,(,(,换热器运行参数的影响 换热设备运行过程中参数经常发生变化，而且这些参数都比较容易控制。运行参数的改变会对污垢的形成造成一定的影响，这些变化主要是流体介质以及换热面温度的变化。 (,)流体速度改变引起流体对壁面剪切力的大小变化，并且影响污垢形成时的强度，进而影响剥蚀过程。相对于污垢的强度，存在一个速度渐进值，由初始速度达到渐进值的时间愈长，污垢对剪切作用适应性越高，抵抗愈厉害。对于任何类型的污垢，流体速度越大，剥蚀效果越明显,,?。虽然高流速流体会带来更多污垢组分，但是剥蚀作用明显强于附着沉积作用，因此总污垢增长率会减小。 (,)污垢形成的多个阶段受温度影响，这与换热设备加热方式以及流体的化学组分相关联。对于其他各项参数较稳定的污染流体，常热流加热方式会使污垢表面温度恒定，也使污垢沉积率均匀稳定;在常壁温加热方式下，污垢层越厚，污垢表面温度越低，污垢的沉积率也就下降了，在剥蚀过程的共同作用下，经过一段时问后污垢增长率趋于某一值。污垢物质之间的聚合速度以及化学反应速度也受到温度的影响，一般情况下，流体温度越高，污垢增长率会随之增加。 ,(,(,换热器结构参数的影响 污垢形成过程与换热器结构参数有关，主要与换热面状态和换热器型式及尺寸有关。 (,)换热面的材料主要影响腐蚀污垢的形成过程，并通过腐蚀——————————————————————————————————————————————— 产物影响其他类型污垢的形成过程。 (,)换热表面的凸起的部分增加了材料表面的化学活性，加快化学反应速度;凹下的部分为沉积物提供附着场所，并且使其受到保护，避免流体冲刷。换热面的,, 第一二章换热器污垢形成及清洗机制 凸起和凹槽都有利于污垢的形成，因此，所有类型的污垢的诱导期都会随着换热面料糙度增加而缩短。此外，粘性底层厚度会随着表面粗糙度的增加而减小，湍流扩散沉积效果变强，剥蚀效果也随表面粗糙度的增加而加强。 (,)各种换热器结构型式中，管壳式换热器的抗垢性能不如板式换热器和螺旋板换热器。后两种结构型式具有更高的流体速度和较高的湍流度，污垢不易沉积;后两种型式不存在折流板附近的流体低流速区，减少了此区域沉降的固体颗粒;后两种型式换热器的表面通常比,，,(者用更多的处理方法，因而壁面光滑，污垢不易沉积:肟两种型式换热器面板薄，往往采用抗腐蚀材料，不易产生腐蚀污垢及其后续的小良影响;后两种型式的传热系数大，冷却侧壁面温度低，冷却液不容易析出溶解盐。 ,(,(,流动介质性质的影响 流动介质对污垢的影响通过两个途径，一是流体携带的不溶物，二是流动介质本身。这两个方面对换热面上污垢特性以及污垢的形成过程都有很大的影响。 (,)一般来说，,,值、各种盐成分和浓度是影响水侧污垢的——————————————————————————————————————————————— 关键因素。水中的不溶解气体也会影响金属表面的腐蚀过程。 (,)流体中固态物质的浓度的增大会导致污垢初始增长率增大。 (,)流体中固态物质的粒子直径不仅影响粒子运输，还影响粒子的附着过程和剥蚀过程。粒子直径的增大会导致粒子附着力减小，剥蚀力增大。粒径大的粒子形成的污垢层比较疏松，易于被剥蚀。 一组不同水平组合的介质流速和温度往往能决定污垢能否形成，根据这组条件?叮以判断是否会有明显的污垢速率，这个组合条件的临界值被称作致垢条件阈值。闽值概念适用于由物理过程和化学过程相结合而形成的污垢，在致垢条件阈值以上或者以下，垢分的沉积被阻止或在沉积发生前从产生区被清除。介质流速决定了热边界层厚度，也就决定了垢分产生区域的大小和污垢母体从反应区的清除，从而直接决定了致垢条件阈值。对于原油污垢，确定致垢条件阈值的两个主要参数是流速和表面温度。当原油温度高于,,,?时，流速不变的情况下，污垢明显增多，而沥青是形成污垢的主因。 ,(,(,防垢对策 由上述各因素对污垢形成的影响，可以得出以下有效的防垢对策。 (,)正确选择换热器的型式。例如，板式换热器易于清除污垢，因而适合食品加工行业;板肋换热器由于难以清洗，通常不使用于易致垢流体。 北京化,人学颂,,,学位论文 (,)选择合理的几何结构和布置。通常需要将腐蚀性或污染性强的流体、高压流体或易聚合流体布置在管侧。 ——————————————————————————————————————————————— (,)改变换热面表面条件或物理化学特性，减轻换热设备污垢的积聚。例如，可以采用表面涂层或涂抹防腐剂。 (,)工作时尽量采用较高流速，调整温度分布，避免有利于形成污垢的情况。(,)在流体介质中加入化学阻垢剂和一些复合型药剂。 ,(,清洗机制 清洗的机制及其动力学是清洗过程的基础，只有深入理解了清洗过程的机制及其动力学，才能使清洗设备的设计可靠性好，易于实现清洗过程最优化。由于与之对应的理论可能还没有形成，因而大多数实验研究是针对各种清洗方法的具体条件进行的。一些关于吸附、净化和物理化学方面的研究可以帮助我们深入理解清洗过程的机制【,,,。 换热面的清洁程度不是表面的固有特性，而污染是相对于系统内自由能减少的自发过程。这也就是说，我们可以通过某种方法(清洗)来提高换热面的洁净程度，但这一过程需要消耗能量【,,，,,,。能量的作用不仅影响换热面与污垢界面之间的作用，也影响着流体与污垢界面之间的作用，即污垢形成的开始、清洗过程的结束和污垢的积聚和剥蚀。 由上述分析可知，大致有两种方法可以用来清除换热面上的污垢: (,)依靠外力作用使污垢从换热面上剥落，该外力必须大于污垢与换热面的粘附力; (,)依靠化学反应改变污垢结构，进而减小污垢与换热面的结——————————————————————————————————————————————— 合力，使其在流体冲刷下剥落。 前者称为机械清洗，后者称为化学清洗,,,,,引。本课题主要研究化学清洗过程中污垢的变化过程，也就是化学清洗机制。 ,(,(,化学试剂的作用机理 本课题中的化学试剂主要是指有机溶剂，即是包含碳原子的有机化合物。常用溶剂往往拥有比较低的沸点，容易挥发，可以由蒸馏来去除，从而析出被溶物。溶剂可从混合物中萃取可溶化合物，最常见的例子是热水冲泡咖啡和茶。一般情况下，溶剂是透明无色的液体，大多都有独特的气味‘,,,。有机溶剂对换热设备污垢的清洗，是靠表面活性剂的溶解作用，而不是靠化学反应‘,,，,?。表面活性剂是一种使溶液表 第二章换热器污垢形成及清洗机制 而张力降低的物质，是由两种不同的粒子形成的分子，其中一种粒子具有亲油性，昌。种则具有亲水性。经过实验可知，大部分油垢或聚合物垢均可在单一或混合表面滑眭剂和其他化学试剂作用下溶解,,引。 表面活性剂特殊的两亲性化学结构，决定了表面活性剂溶解在液体溶液后，具有在物体表面上的吸附作用，降低了溶液的表面张力，提高了溶液的润滑能力。特别当溶液中表面活性剂的浓度达到某一高度时(临界胶束浓度，表面活性剂分子形成胶束的最低浓度)，溶液的表面张力、渗透压、粘度、光学性质等都有显著变化。表面灞?剂舟化学清洗过程中，通过润湿、渗透、分散、乳化、增溶等对污垢作——————————————————————————————————————————————— 用，往往台‘笋、,功倍的效果，这就是表面活性剂在化学清洗中广泛使用的原因。 (,)润湿作用 ，种流体从基质表面把另一种流体取代的过程，这个过程就是润湿。污垢表面的润湿经常是固体表面的空气被液体替代，也就是固液界面取代了原来的固气界面。,,设各,面紧密粘结的固体污垢，首先被表面活性剂溶液润湿表层，在固一液界面上形成双电层，污垢与设备表面具有相同的电荷性，由于电荷同性相斥，污垢会在流体冲击下除去。 (,)渗透作用 除了污垢固体表面，内部多孔缝隙表面空气也被取代的过程就是渗透。污垢可以经流体冲刷而脱落或由其他方法去除是因为润湿性液体能够自动渗透入污垢缝隙后不断扩散，并使污垢溶胀、软化、疏松。此外，表面活性剂溶液也可渗透进入污垢,,设备表面结合部，破坏了垢与金属之间紧密粘合，使垢脱离壁面。 篓,篇,量巧男旁共谚鳓砺?砺一,旷?,?,峨冲 北京化工大学硕二,学位论文 (,)增溶作用 增溶是表面活性剂的又一重要特性，对去除油垢有重要作用。表面活性剂在溶液中形成胶束后，能使不溶或微溶于溶液的有机物的溶解度增大，且溶液呈透明状，这种现象称为增溶。只有当表面活性剂在清洗液中浓度大于临界胶束浓度时，一些油垢及某些有机物才会不——————————————————————————————————————————————— 同程度地被增溶。增溶是通过不同的方式对污垢作用的，可以使有机物溶于胶束内，可以使有机物吸附在胶束表面，也可以使有机物分子与表面活性剂分子一起穿插排列而溶解。清洗液中离子型表面活性剂浓度往往不会超过临界胶束浓度，其增溶量很少，但当清洗液中含有非离子表面活性剂时，由于其临界胶束浓度很小，大量油垢及有机物垢会被增溶而迅速除去。 (,)协同清洗 清洗液中除了表面活性剂往往还会添加其他无机或有机溶剂以帮助溶解污垢，因而除上述的乳化、增溶、渗透、润湿作用外，还可能有络合或整合、软化、增效、解胶、抗再沉积等作用。此外，循环水流也有冲刷作用。上述的协同作用大大加快了清洗速度。 ，。?。 图,(,化学清洗协同作用示意懿艨懈(，(。，州,。(一， 注:,为清洗初期，,为清洗中期:;为清洗后期 ,,,(,—,,,,,,,;,,,,,;,,,,;,,;,,,,,,, ,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,，;,,,,,矗,,,,,,,,, 表面活性剂两个最基本的性质，一是降低表面张力，二是胶束作用。由上述可知，润湿、渗透作用是降低表面张力的典型，而正因为胶束作用也使表面活性剂有了乳化、增溶作用。 ,(,(,化学清洗的机制 ——————————————————————————————————————————————— ,唧,,是第一个以理论形式提出化学清洗机制的人，他认为化学清洗机制包括 第一二章换热器污垢形成及清洗机制 以下过程,,,,: (,)清洗剂与待清除的污垢接触; (,)清洗剂中有效成分润湿并渗透入整个污垢结构，并与其发生化学反应; (,、流体冲刷及其他作用使反应生成物在清洗剂中耗散。 虽然我们可以通过研究清洗实验过程中的流体力学和各种传递过程，但是我们没有办法掌握湿润、渗入现象以及污垢成分与清洗产物之间的化学反应规律。特别是当这些过程同时进行时，过程就更复杂了，因此也就没有可行的试验方法来验证这种机制。 ,,,,,,,,,【,,】利用放射性计数法研究了苏打溶液清洗金属表面污垢得出结论:污垢的清除速率与此刻表面上的污垢量、清洗剂有效成分浓度成正比，但是该模型只适川,，‘,除掉初始污垢的,,,以前的时期，且这种关系只有在清洗剂立刻渗入到污垢之中,,成立。在清洗过程的后期，污垢在表面的粘附使得模型的有效性大大下降。 ,,,,,,和,,,,,,,【,,】研究了苏打溶液清洗牛奶沉积物，得出清洗液不是即刻浸透污垢，污垢与清洗剂先发生反应，然后反应产物在其他作用下扩散并脱离壁面。也;进址:斧例开始时没有任何清洗效果，经历了中间状态之后，污垢才会被清除。,，,——————————————————————————————————————————————— ,,,,,一,,,‘对半工业平板换热器进行多次清洗实验，认为用扩散机制表述污垢脱离换热向不是很准确，可以用剥蚀机制来代替，即污垢的清除速率,，与流体在固体表面上的剪切应力,和此刻表面上的污垢量?成正比，即 聊,,,,，坍，(,(,) 其,,,可以用,,,,,,,,的活化能表示。 :一?, ?,„。,。:,，, 清洗荆向油污内渗透万乃,,叨万刀刃功刃刁万万刃多刃元机物随流体流动而除去 (,)图例: ，、，清洗越,软化后的重质油污 。重质油污(沥青等)。清洗嗣和重质油 重质油污被软化(无机物(硫化铁、盐等),;歹,热变换器管面 图,—,油污化学清洗机制示意图 ,,,(,,,,,,,,;,,,,,,,,;,,,,;,,;】,,,,,,,,,,,,,,, 北京化工人学硕,,学位论文 ,(,(,影响清洗动力学的因素 在众多影响污垢清洗过程的因素中，清洗剂有效成分浓度、清洗环境温度和化学反应程度起主要作用。所有污垢不可能用同一种清洗——————————————————————————————————————————————— 剂，因此清洗污垢前应按照污垢特性确定清洗剂成分。清洗时间受其他变量影响，不能作为独立参数。此外，流量、流速和湍流引起的流体机械作用对清洗过程也有重要影响。 (,)清洗剂浓度的影响 污垢清除速率随清洗剂浓度的增加而增加，到某一定值后，保持不变或减少。,;,,,,,,,,,,证明了这种规律，并指出弱碱性清洗剂与强碱性清洗剂的差异。随着清洗剂浓度的增加，弱碱性清洗剂的平均清洗速率变化较为缓慢。弱碱性清洗剂的最佳清洗浓度超过了,,，而强碱性清洗剂在浓度为,,左右时就可达到最佳清洗效果。 (,)温度的影响 在利用清洗剂除去污垢时，提高环境温度有益于清洗过程，但其增加温度的速度要根据清洗混合物和污垢种类而改变。温度对清除速率有一定影响，据此,;,,,,,,,,,,,,推导出的计算所需清洗时间的模型如下: 聊，,岛,,,(,;，?,丁) 秒,包,,,,(口;，?,丁)(,(,) 其中，？、?、口和?是与清洗剂和污垢性质有关的常数，,、,分别表示清洗剂的浓度和温度。在均相反应中，温度每提升,,?，清洗速度可加快,,,倍。不可否认清洗剂浓度和清洗温度有最佳组合，就目前对清洗理论的认识而言还做不到准确预测，只能由实验来确定。 ——————————————————————————————————————————————— (,)机械作用 流体机械作用可用于清洗污垢，但是有一定的限制条件。,,，?,,,,,和,;,,,,,,,【,,’,,,。致认为，有一个最小阈值，低于此值机械作用可以忽略，这个阈值可以用液体流动雷诺数来表示，其值为,,,,,。在板式换热器清洗研究中，发现在给定工况下，当流速小于,(,,,,的时候，其变化对污垢基本没有影响，然而超过此速度值后，换热面上的污垢显著减少。其他研究发现，污垢的脱除率与壁面剪切应力的,次方成正比，与产生流动的方式无关。而这种剪切应力与压降成正比，加强剪切应力的效果需要额外能量作为代价。机械作用用剪切应力表示最恰当，也可以用包含剪切力影响的剥落机制表示。剥落机制可以很好的反映在清洗剂与污垢反应后，机械作用对污垢清洗的影响。,, 第二章换热器污垢形成及清洗机制 ,(,小结 换热器污垢的形成过程包括五个阶段:起始、输运、附着、剥蚀和老化，而换热器材料、结构以及流动介质都对污垢的形成有一定影响。污垢的在线清洗过程是反其道而行，需要先将污垢溶胀、软化、疏松，经过流体冲击脱离壁面，再借助清洗循环系统将污垢带离设备。在此过程中，需要考虑清洗的影响因素:清洗剂的药剂浓度、清洗温度以及清洗剂速度，这些因素是清洗实验能否成功的关键问题。 药剂浓度和清洗温度的问题，在项目组其他人研究过程中已经得到解决，清洗剂速度的问题将在第四章中讨论。,, ——————————————————————————————————————————————— 第三章在线清洗流程及清洗系统装置设计 第三章在线清洗流程及清洗 ———————————————————————————————————————————————