换热器的结垢及除垢措施
换热器的腐蚀和结垢对其传热、冷却和热回收过程有严重影响。因结垢会降低换热器性能,所以它也决定换热器设计的类型,甚至决定其规划方案。
近年来,由于大力开展节约能源和控制大气污染,都在积极进行除垢和热回收,因此很有必要了解一下结垢方面的知识。
有关研究换热器结垢的文献目前正在逐渐增多。本文对工厂的一些实际问题作一简介。
一、换热器的结垢
换热器的结垢,指传热面上结有阻碍传热的固形附着物。由于换热器的结垢,还会出现下列情况:①原设计计算上采用的标准化方法,由于结垢,很可能与实际情况不符而产生误差;②在换热器的结构上,由于结垢,形成死空间,出现流速不均及走短路等现象;③在温度测量上,由于结垢系数的关系,也易出现误差。
结垢的类型及除垢措施如表1所示。
表1 结垢类型及除垢措施
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对 象 |
结垢类型
(采取措施前) |
除垢措施 |
备 注 |
沉淀/附着 |
悬浮粒子(水) |
渐近值型 |
增大流速 |
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结 晶 |
溶解盐分(水) |
诱导期型 |
加强水质管理 |
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聚合/反应 |
单体物质 |
均匀增长型 |
降低表面温度
加聚合防止剂 |
催化作用 |
碳 化 |
高沸点烃类 |
堵塞 |
降低管壁温度 |
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腐 蚀 |
材质不佳 |
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更换管束 |
此种事例较少 |
生 物 |
循环冷却水
海水 |
均匀增长型
均匀增长型 |
加强水质管理
注氯 |
季节差别
季节差别、气候不佳 |
结 冰 |
空气 |
堵塞 |
|
严寒地区 |
水的结垢是复杂的,一般有沉淀、结晶、生物作用以及综合性污垢等。在这个领域里应考虑下面几种情况:
①由传热管的腐蚀引起的污垢占主要地位;
②设备防腐对结垢有一定影响。
③目前世界各国正在积极研究防止结垢的措施。
二、结构曲线
设没有结垢时的传热系数为 0,随时间的延长,结垢加重,结垢系数RD可采用过程中间的传热系数 表示,得
RD= (1)
起初, 和RD是急剧变化的,其值难于测定。可利用计算的传热系数来代替 0。但这样做也有不足之外,因为计算值的误差往往包括在结垢系数之中。
对于结垢的研究,着重在管道内部,目前还谈不上各种问题全部清楚,一般将结垢类型大致分为下述几种:
1.渐近值型
模式:RD=RD*〔1-exp(-Bθ)〕
式中 θ—时间
RD—结垢系数
R*D,结垢系数 渐近值
B—参数
实例:悬浮粒子
图1 渐近值型结垢模型
由图1可见,随着时间的延长,RD逐渐接近结垢的渐近值RD*、通常应用的换热器即属此类型。这里:
(1)污物的附着与其浓度成正比,即扩散现象;
(2)污垢的脱离与流体的剪切应力或与附着量成正比;
以这两种情况为前提,式(1)与式(2)最终达到平衡,RD*即被确定,过程中间的RD为指数函数:
RD=RD*〔1-exp(-Bθ)〕 (2)
根据这个模式,对水中悬浮粒子的附着进行了详细研究。上式表明兼有(1)和(2)两种情况是很重要的,从而说明了流速增大,结垢减轻。
2.均匀增长型
产生这种模式的主要原因是1—(1)中附着力得到强化的缘故。
冷却水的结垢是十分惊人的。根据实验,通水几分钟后,有机物质附着于传热管壁上,数小时后,开始产生细菌,因细菌本身具有粘着性的物质,吸取水中的悬浮粒子,使结垢层急剧变厚。由于细菌的作用,加强了水中微粒子的附着力。如用杀菌剂除去细菌,则结垢类型可变成渐近值型。这就是说,如果经常采取这种杀菌措施对冷却水进行处理,将是有利的。
3.诱导期型
一开始,结垢并不存在,但经过诱导期θD一段时间之后,便产生了渐近值型的结垢(图)2。
模式 RD= 〔1-exp{-B(θ-θD)}〕 (3)
式中 θD—诱导期
实例:循环冷却水
诱导期: O—θD
此时循环冷却水中溶解的盐类已接近饱和,在换热器使用初期,即使有盐类析出,其结晶量也很少,于传热并无影响。通过继续观测结晶的急剧增长和结垢系数的变化,到图2的诱导期θD的一段时间内,在数学式上应取曲线m,在解释上应是曲线1,而实际上却是n,这个负值的结垢系数是很特殊的,但可用传热理论加以说明。即微小的结晶分散在传热表面时,形成粗糙的表面,从而构成一个传热的促进面,以促进传热,结垢系数逐变成为负值。因此在存在结垢的情况下,反而出现促进传热的稀有现象,但这种现象毫无现实意义。
图2 渐近值型结垢图
三、结垢的程度
1.测定值
现实情况,因为渐近值型的结垢比较多,所以RD*值的大小或对RD*值的接近速度就变得很重要了。根据已发表的实验例子,得出的规律是大都在数小时内获得。并证明其接近RD*值。凡是连续运转一年(8,000小时)的工厂,基本可以断定,其换热器在绝大部分时间内,是在RD*值条件下运行的。
参数值RD*和B,因换热器而异。RD*值以0.0002、0.0004时·米2·℃/大卡(米制结垢系数单位,英制用4.88时·呎2·℉/英热单位,有的也取其倒数表示和传热系数大卡/时·
米2·℃相同)居多,也有用0.002的,有的文献用0.006。在实测RD*时,一般都用计算值代替 。因此必须指定计算方法,否则RD*的测定值就失去意义了。
另外,根据经验,得出以下规律:实际传热效果高于设计值时,RD*值则大,反之,RD*值则小。将这一情况用于与其相似的汽油冷却器表示如下:
例1 汽油 56→24℃
水 25←15℃
RD*=0.000036〔时·米2·℃/大卡〕
例2 汽油 35→20℃
水 21←15℃
RD*=0.000809〔时·米2·℃/大卡〕
参考TEMA(管式换热器制造者协会)推定的RD*值为0.000695,例1中的RD*值仅是其5%;例2中的RD*值为其116%。尽管是相似的换热器,但RD*值却出现明显的差别。下面探讨一下用计算值代替U0的误差,假定在例1中U0有±10%的误差,则RD*值为0.000065~0.000137,也有可能计算出负值。
对于设计上水的入口温度为30℃,汽油出口温度为40℃的例子而言,例2就应该有较好的冷却性能。对此测定值的误差进行分析,由于采用无限大传热面积,所能冷却的界限为18.5℃(计算从略),实测值20℃的误差,就表明RD*的误差是很大的,例2中RD*实测值可靠性则相当小。根据这个例子的分析,在调查的10个数据中,有一半是不确切的。由此可见,要得到RD*的实测值是困难的。
2.设计值
当设计换热器时,RD*值是推定值,目前还没有适当的计算方法,RD*值是作为阻力加算在传热计算结果中。
RD*值以TEMA推荐为权威数据,并根据冷却水的水源,物料特性及过程的特殊情况等考虑增大或减小。
传热系数大时,则RD*值小,传热系数小时则RD*值大,并用所需传热面积与没有结垢的传热面积之比无疑是要加大的。
考虑上述面积比,联系积污程度的大致标准时,对石油炼制一般是100比69[2](其比值为1.45),对板式换热器而言,该比值在1.25以下[3]就可以了。
3.结构
换热器的结垢程度与其结构的选择有关,反过来,换热器的结构又关系着是否容易产生结垢。吉尔摩[4]对换热器的结构影响结垢系数增大的问题曾提出过很好的论述。图3示出换热器的结垢状态,大都与结构有关。
(1)脏污流体通过管程。如把较脏的流体引入壳程时,则四角的顶点要搞成敞口式。
(2)在壳程有易于使流体停留和发生偏流的部位,所以折流板的缺口和板间距要适当配合。一般在45%缺口处易产生偏流。
(3)沉淀物易于停滞时,折流板的缺口宜采用直立放置式,但这样做的出入口管处容易产生偏流(图3)。
尽管尚未深入探讨结构与结垢的关系,但事实上结构确实都影响结垢数值。当然,与结构有关的结垢程度并不能用数值表示,但仍可定性的加以理解。
图3 换热器的结垢
4.堵 塞
由于存在夹杂物使换热器堵塞的情况是比较多的。这种场合显然不是什么结垢系数大小的问题,但实际表现的结垢系数却非常大。
积污堵塞,通常是上游的问题,一般表现为压力降异常。
四、结垢原因与防垢措施
1.流速
与结垢密切相关的因素是流体的流速。虽然结垢也与其本身的类型有关,但对于悬浮粒子型的结垢,流速的影响更为明显。尽管图4是板式换热器的例子,同样也显出流速愈大,RD*值愈小。RD*与流速成反比,这符合渐近值型理论。对轻油而言,RD*与流速的平方成正比。对氧化铁悬浮水而言,RD*与流速的0.9次方成正比。仅用改变流速的办法究竟能把结垢减小到什么程度,这倒是一个有趣的问题,不仅有侵蚀的危险,并且也可能实现不了。
图4 流速与结垢的关系
由于换热器的允许压力降还没有一个合理的基准,所以有时难以测出流速增大情况。下面提出几点看法:
(1)为了防腐,将水的流速指定为0.9米/秒以上时,则不能将压力降规定过小;
(2)按夏季设计的换热器,冬季则有时保持不了最低流速;
(3)为了节能,增加热回收时,即使热回收略有增加,传热面也要增加很多,这时允许的压力降也要增大。
2.温度
由于结垢的类型不同,受温度的影响也不同,一般不易掌握。对于流体温度,管壁温度,结垢面温度及界面层的温度等必须加以区别。从表面看来与温度无关的流速变化,实际上与结垢面温度变化等复杂因素有关。具体表现如下:
(1)流体中溶解的CaCO3、CaSO4等盐类,其溶解度随温度的降低而降低,随即成为水垢;
(2)脱除原料油的结垢,除图5中的1型曲线外,还有n型。由于氧气的催化作用,发生聚合反应,当油中出现不溶物时,即进行氮气置换,随即得到m型和O型曲线(零点处未做实验)[5]。
图5 脱除原料油的结垢速度
(3)原料对换热器的结垢随温度高而增加(TEMA)。
(4)水的结垢,若与生物有关时,由于生物在适当温度下生存,所以温度对其有影响,并且随季节不同而变化。
3.流体性质
流体的固有性质影响换热器的结垢的事例是很多的。
(1)水中的溶解盐类中,接近饱和的特定成分与结垢有直接关系。另外:pH值决定着溶解度。
(2)水中Fe2O3微粒(0.2微米),其结垢作用随浓度的变化不甚明显[6]。
0~750ppm 没有结垢
750~1750ppm 没有结垢的再现性
1750ppm 结垢随浓度增大而增加
(3)氧气是增加积污的主要原因。水中有Fe2O3粒子存在,同时水又被氧气饱和时,对换热器结垢最为严重。即使是冷凝器,一旦渗进了空气,就会发生碳素钢的结垢。
(4)在换热器的运行中,通常,腐蚀问题要比结垢受重视,实际上腐蚀本身也会引起结垢,如向蒸发塔顶注氨,就会有NH4C↓结晶析出,从而发生堵塞问题。
4. 传热管材质
由于传热管材质不同,其结垢也不同。一般只考虑那些可直接看到的锈,但对传热管上的水锈和污物分析表明,锈并非很多。当使用海水时,铜合金管比钛有利于抑制生物繁殖。通常,表面平滑的管材就难于附着污物。
5. 换热器的类型
不同类型的换热器,其附着污物的难易程度也不同。板式、螺旋管式换热器等一般不易积污。
6.维修
清除污垢的具体办法是化学清洗法或打开换热器用喷射清洗法将污垢清除。
7.水质处理
由于冷却水的用量很大,而水质对换热器结垢有很大影响。因此各工厂为防腐都进行水质处理。
(1)循环冷却水的结垢取决于溶解盐类的结晶析出,悬浮粒子的附着和由生物引起的强化结垢作用。换热器通常使用的材质是碳钢,虽然以防腐为主,但为了更好的防腐,还得进一步防止结垢。循环用水,除必须处理水垢外,还可采取降低水的硬度、加酸、加聚磷酸钠和离子交换等措施。但也有用药剂的。
(2)用海水时,一般采用铝黄铜管,并注入亚铁离子形成防腐膜。清除生物的办法是通入氯气。此外,用海水还会有贝壳、海藻、乙烯树脂等夹杂物造成堵塞,并随气候、季节变化差别很大,解决办法是设置过滤器。
参考文献
1. Epstein N.:6th Int'1 Heat Transfer Conference 6-ks, p.235,1978
2. 栗田信,化学工学,42,(8),p.434,1978
3. Cross P.H.:Chemical Engineering, Jan. 1, p.87,1979.
4. Gilmour C.H.:CEP 61 (7)p.49, 1965
5. Braun R., Hausler R.H.:Oil and Gas J.,Feb. 14, p.890, 1977.
6. Hopkins R.M.:Epstein N., 5th Int'1 Heat Transfer Conference. 6, 1974.
(情报部编译)