合成氨压缩机级间换热器结焦超声清洗的研究

田蒙奎，姜颖，王军，王国维，王昌敏，简万国（贵州大学化学与化工学院，贵州 贵阳 55005；贵州开磷（集团）有限责任公司，贵州 开阳 550300）

应用技术

合成氨压缩机级间换热器结焦超声清洗的研究

田蒙奎1，姜颖1，王军1，王国维2，王昌敏2，简万国2
（1贵州大学化学与化工学院，贵州 贵阳 550025；2贵州开磷（集团）有限责任公司，贵州 开阳 550300）

在贵州某公司以半水煤气合成氨工艺的运行维护中，压缩机级间换热器结焦是一个最为突出、急需解决的问题。结焦造成换热效率下降，阻力增加，压缩比降低，严重影响生产的正常运行。本文以贵州某公司合成氨压缩工段换热器结焦为研究对象，根据前期对结焦机理及结焦物化学组分的研究，采用超声清洗方法，选取OP-10、十二烷基磺酸钠作为主剂，氢氧化钠作为碱性助剂，研究对比各试剂的清焦能力，并对其进行复配，考察清洗剂的组成、浓度以及清洗温度对焦垢去除能力的影响。结果表明：OP-10乳化剂最佳浓度为60g/L，十二烷基磺酸钠的最佳浓度为50g/L，氢氧化钠的最佳浓度为3g/L；且当浓度为60 g/L的OP-10乳化剂、50 g/L的十二烷基磺酸钠和3g/L的氢氧化钠复配组成体积比为1∶2∶2的清洗剂，在50℃时对焦垢进行超声清洗的清洗效果最好。

压缩机；换热器；传热；表面活性剂；超声清洗；清洗剂

贵州某公司以半水煤气生产合成氨工艺中，为了使合成气达到合成所需的压力，需要逐级压缩。在各级压缩间采用列管式水冷方式，冷却水走管程，合成气走壳程。在投入使用以来，存在级间换热器结焦的现象，结焦物聚集在管间，严重影响换热效果，导致换热器出口温度超标、压缩机压缩比降低，功耗提高。压缩机级间换热器的结焦现象不仅影响换热设备的正常运转，还直接影响整个合成氨工段的运行以及合成氨的产量和成本［1］。目前，工厂对结焦堵塞严重的换热器拆卸后采用高压水清洗或化学试剂进行清洗，虽然能起到一定作用，但设备运行40天左右，出口温度再次超标，且化学试剂会对换热管造成一定的腐蚀。采用的两种方法均存在成本偏高、劳动强度较大、容易污染水源、需要停产施工、操作工艺繁杂、费时费力等许多缺点，因此造成的损失每年达上千万元［2-4］。

针对合成氨级间换热器结焦这一关键问题，开发结焦抑制技术，延长换热器清洗、更换周期是确保合成氨长期稳定运行的重要研究开发内容。经过前期对结焦物进行红外光谱分析，发现结焦物中含有烃类、卤素离子以及芳环官能团。其中的烃类物质可以吸附在金属上发生金属催化结焦，其结焦物质主要呈纤维状或柱状；卤素离子及自由基的存在都会催化自由基结焦的发生。此外，其中所含芳环官能团是气相结焦非常重要的中间物质，芳烃化合物脱氢聚合成多环芳烃，在较高温度下脱氢聚合成焦。通过XRD分析得出结焦物中结晶相有：Fe3O4+FeS+Fe2O3+γ-Fe2O3+FeS2-CoS2+FeS2-NiS2，还有Mg、Ti、Mn、Sb、Cu、Au、Ag等细分散混入物。该结焦系统十分复杂，有金属催化结焦、自由基结焦和气相结焦［5］。根据前期对结焦物及结焦机理的研究，决定选取合适的清洗剂，采用超声清洗技术，该技术不仅能够很大地降低由于化学清洗或其他清洗方法对环境所造成的污染和对被清洗件所造成的腐蚀，还能够降低化学药品的用量，降低劳动强度，缩短清洗时间，提高清洗效率［6-9］。

本文以贵州某公司合成氨压缩机级间换热器结焦为研究对象，采用超声清洗方法，考察清洗剂的组成、浓度以及清洗温度对焦垢的清洗效果的影响，为焦垢的超声清洗技术提供实验基础数据和指导。

1　实验部分

1.1实验原料、仪器及试剂

1.1.1原料

在贵州某合成氨公司采用的压缩机级间换热器中，选取结焦状况接近的换热管，并切割成10cm等长，试验前在40℃下烘干4h、称重，作为待测样管。

1.2.2仪器

超声清洗器（深圳市华深科工设备有限公司，型号 PS-100，频率 40kHz）。此设备仅作为实验室研究清洗剂的组成、浓度以及清洗温度对焦垢清洗效果影响的仪器，实际工况下开展超声清洗的方案已进行了初步设计。

1.2.3试剂

影响超声清洗效果的因素不仅与清洗剂的化学作用效果、表面张力、蒸气压或黏度有关，还与清洗剂的温度等多种因素息息相关［10-15］。综合以上因素，选取的试验试剂见表1所示。

表1　试验所用试剂

2　结果与讨论

2.1清洗剂各组分最佳浓度的确定

2.1.1主剂的最佳浓度

分别将OP-10乳化剂及十二烷基磺酸钠配制成浓度均匀递增的 7组水溶液，超声温度 30℃清洗10h，测定其清焦量及焦垢残留情况，见表2及表3所示。

表2　不同浓度下OP-10乳化剂清焦能力的测定结果

表3　不同浓度下十二烷基磺酸钠清焦能力的测定结果

将两种表面活性剂的清焦量与浓度的变化关系，进行对比如图1所示。

图1　表面活性剂浓度对清焦率的影响

由图1可看出，当表面活性剂的浓度达到某特定值时，其清焦量达到最大，其后表面活性剂的浓度继续增加，其清焦量基本保持不变。由图1可见，OP-10乳化剂的最佳浓度为150g/L，十二烷基磺酸钠的最佳浓度为100g/L。因此，在表面活性剂的复配过程中，分别取两种试剂的最佳浓度进行正交复配。

试验测定当十二烷基磺酸钠浓度达到 100g/L时，改变OP-10乳化剂的浓度cx（0＜cx＜150 g/L），以样管质量无明显变化为试验终点，记录其清焦量及所用时间，OP-10乳化剂浓度对复配表面活性剂清焦效果的影响见图2。

图2　OP-10乳化剂浓度对复配表面活性剂清焦效果的影响

从图2可知，当复配表面活性剂OP-10乳化剂的浓度低于60g/L时，其清焦量随OP-10乳化剂浓度的增加呈现上升趋势且清焦所用时间不断缩短；当OP-10乳化剂浓度达到60g/L时，其清焦量达到最大值且清焦所用时间最短；而当OP-10乳化剂浓度继续增加，复配表面活性剂的清焦量受其浓度变化的影响趋于平缓且清焦用时也不再缩短，因此得出OP-10乳化剂的最佳复配浓度为60 g/L。

试验测定当OP-10乳化剂的浓度为60g/L，改变十二烷基磺酸钠的浓度 cx（0＜cx＜100g/L），以样管质量无明显变化为试验终点，记录其清焦量及所用时间，十二烷基磺酸钠对复配表面活性剂清焦效果的影响如图3所示。

图3　十二烷基磺酸钠浓度对复配表面活性剂清焦效果的影响

从图3中可以看出，当复配表面活性剂十二烷基磺酸钠浓度在50g/L以下时，其清焦量随十二烷基磺酸钠浓度的增加呈现明显的上升趋势；当十二烷基磺酸钠浓度达到50g/L时，其清焦量达到极值点，而随着十二烷基磺酸钠浓度的继续增加，清焦量受其浓度变化的影响趋于平缓，因此确定十二烷基磺酸钠的最佳复配浓度为 50g/L。并且，从图 2和图3中均可看出超声清洗的最佳清洗时间为9h。

2.1.2碱性助剂的最佳浓度

根据碱性助剂的溶焦能力，选取氢氧化钠与已确定的表面活性剂进行复配，超声清洗温度30℃ 清洗9 h，其浓度对清洗剂清焦效果的影响见表4。

表4　不同浓度氢氧化钠助剂对清焦效果的影响

相同的试验条件下，以第1组未添加碱性助剂的清焦量为基准，计算并对比添加不同浓度氢氧化钠碱性助剂后对清洗剂清焦率的影响，结果如图4。

图4　氢氧化钠浓度对清洗剂清焦率的影响

由图4中可见，添加了氢氧化钠碱性助剂后对清洗剂的清焦效果有了明显的提高，且随着浓度的增加总体呈现先增大，后逐渐减小的趋势。其中，第7组效果最佳，清洗率提高了12.53%，其碱性助剂的添加浓度为3g/L。

2.2清洗剂最佳浓度时复配体积比的确定

分别将浓度为60g/L的OP-10乳化剂、浓度为50g/L的十二烷基磺酸钠、浓度为3g/L的氢氧化钠按表5中的体积比进行复配，各试验组的清洗剂复配组成见表5所示。

表5　清洗剂最佳复配组成体积比及编号

选用不同清洗剂进行复配后，各组样管在超声温度30℃下清洗9h，各组清洗剂按体积比复配后，各组试验中清洗剂对样管的清焦效果见表6所示。

表6　复配清洗液对结焦换热器的清焦效果

从表5、表6中可以看出，复配液按体积比为1∶2∶2混合后清焦率可以达到9.3%。

2.3清洗温度的确定

按照已确定的清洗剂配方配制清洗剂，选择超声清洗温度为30～80℃，时间为9h。计算不同温度下清洗剂的清焦效果，见表7所示。清焦量随温度变化趋势见图5。

表7　不同温度下超声清洗9h清焦效果

图5　清焦量随温度变化趋势

从图5中可以看出，伴随着温度的增加，清洗剂的清焦能力明显增加，当温度达到50℃以后，其清焦率虽有增大但速率明显减缓。

以温度为30℃试验组的清焦量为基准，计算并对比不同温度对清洗剂清焦率的影响，如图6所示。

图6　温度对清洗剂清焦率的影响

由图6中可见，温度的升高对清洗剂的清焦效果有明显的提高，70℃时清洗率的提高最显著，达到了8.93%；50℃试验组清洗率提高了8.33%。比较两组数据，温度提高 20℃，但清洗率只提高了0.60%。所以，综合权衡成本和清洗效果，选取最佳清洗温度为50℃。

3 结 论

针对各大化工厂压缩工段间换热器结焦的共性问题，以及现有高压水和化学试剂清洗的不足，本文以贵州某合成氨公司压缩工段级间换热器结焦为研究对象，研究了清洗剂浓度、复配组成以及清洗的温度对清焦效果的影响，得出如下主要结论。

（1）清洗剂最佳配比浓度：OP-10乳化剂浓度为60g/L，十二烷基磺酸钠浓度为50g/L，碱性助剂氢氧化钠的浓度为3.0g/L。

（2）浓度为 60g/L的 OP-10乳化剂、浓度为50g/L的十二烷基磺酸钠、浓度为3g/L的氢氧化钠复配组成的最佳体积比为1∶2∶2。

（3）复配清洗剂的最佳清洗温度为50℃。

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Study on ultrasonic cleaning of ammonia compressor heat exchanger coking

TIAN Mengkui1，JIANG Ying1，WANG Jun1，WANG Guowei2，WANG Changmin2，JIAN Wanguo2
（1School of Chemical and Chemical Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，Guizhou，China；2Guizhou Kailin （GROUP）Co.，Ltd.，Kaiyang 550300，Guizhou，China）

In the operation and maintenance of ammonia synthesis process with semi-water gas，coking problem of a Guizhou company's compressor heat exchanger is one of the most prominent and urgent problem. Coking not only caused the heat transfer efficiency decrease，increased the resistance，reduced compression ratio，but also seriously affected the normal operation of production. This paper aimed at the compression section of synthetic ammonia coking phenomenon of a Guizhou company. Based on coking mechanism and composition，ultrasonic cleaning method was used. OP-10，sodium dodecyl sulfate were selected as leaning agent. Sodium hydroxide was selected as co-cleaning agent. Optimum composition and concentration of ultrasonic cleaning agent，cleaning temperature and cleaning ability were studied. Experimental results showed that the composition of the cleaning agent is 60g/L OP-10 emulsifier，50g/L sodium dodecyl sulfonate，3g/L sodium hydroxide with the volume ratio of 1∶2∶2. When the ultrasonic cleaning was performed at 50℃，the cleaning result was the best.

compressor；heat exchanger；heat transfer；surfactants；ultrasonic cleaning；cleaning agent

TQ 11

A

1000-6613（2016）08-2604-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.48

2016-01-07；修改稿日期：2016-02-04。

贵州省工业攻关项目（贵州省科技厅黔科合 GY字［2012］3052）及社发攻关项目（黔科合SY字［2013］3078号）及贵州科技创新人才团队（黔科合人才团队（2015）4004号）。

及联系人：田蒙奎（1978—），男，博士，教授，主要从事过程装备、化工清洁生产方向研究。E-mail tianmk78@126.com。