量子管通环在循环水系统中的应用

刘伟，周杰文，李文兰，王海鸥，周涛

(浙江闰土新材料有限公司，浙江 绍兴 312300)

浙江闰土新材料有限公司氯苯分厂(以下简称“闰土新材料氯苯分厂”)2014年开始建设，2016年进行试生产，主要生产氯化苯、对硝基氯苯、邻硝基氯苯。硝基氯苯生产工艺因含有氯苯等溶剂型有机物，涉及原料及产物特别是同分异构体间的塔式精馏分离[1]，对换热器的完整性及换热效果要求较高，运行发现，经过化学药剂处理后循环水系统的相关换热设备存在腐蚀结垢、补水量大等问题[2-3]。为确保生产装置安全、长周期稳定运行，闰土新材料氯苯分厂将具有物理除垢、缓蚀功能的量子管通环应用于硝基氯苯生产装置的循环水系统，达到了很好的除垢除锈、缓蚀阻垢的效果[4]。

1 量子管通环介绍

1.1 量子管通环工作原理

量子管通环由特种信息记忆材料合成，利用特定设备测定和储存水中水垢和铁锈等相关物质的分子振动波形。针对水中相关物质的分子振动波形，再开发多种“超精微振动波”，并利用特定技术将这种波储存于“量子管通环的亚原子级”中。量子管通环从周围环境得到能量时，“超精微振动波”即被持续恒量地释放出来，透过管壁传入水中。在这种“超精微振动波”的作用下，水中的钙、镁离子振动特性发生改变，不易结晶析出形成水垢，起到防垢作用；已经形成的水垢也会在振动波的作用下逐步软化脱落；铁与氧反应不再生成铁锈(三氧化二铁)，而是生成磁性氧化铁(四氧化三铁)，对新的腐蚀呈惰性反应；同时，水的活性得到极大加强，增加对离子的溶解度和携行能力，抑制水中菌藻类的繁殖和生长，从而实现对化学药剂处理循环水系统的替代，起到阻垢缓蚀、抑菌灭藻的功效。

1.2 流程设计

根据硝基氯苯生产系统循环水在不同单元的使用情况，在循环回水管道上分别安装型号为DN200、DN250、DN300 3套量子管通环，分别对应硝化分离系统、精馏分离系统、硝化主反应系统(如图1所示)。

图1 硝基氯苯生产系统循环水回路量子管通环安装示意图Fig.1 Diagram of installing quantum ring on the circulating water loop for nitrochlorobenzene production device

2 量子管通环在循环水系统的应用情况

量子管通环在硝基氯苯生产装置中的循环水系统投运至今，未添加任何药剂进行处理。

2.1 循环水和补水水质

硝基氯苯生产装置循环水系统主要为硝基氯苯的硝化反应系统、硝化分离系统和精馏分离系统提供冷却水，循环水补水为自来水和硝基氯苯塔式精馏分离系统产生的蒸汽冷凝水。安装量子管通环前，循环水和补水水质分析数据(连续化运行装置，数据较为稳定，随机抽取1组)如表1所示。

表1 循环水和补水水质分析数据Table 1 Water quality analytical data of circulating water and filled water

从表1可以看出:补水总硬度和电导率均不高(特别是蒸汽冷凝水)，该循环水系统补水水质较好。

安装量子管通环前，循环水水质情况如下。

按照表1数据，分别以氯离子法、电导率法和总硬度法计算循环水的浓缩倍数(以自来水补水进行计算)。以氯离子法得到的循环水浓缩倍数为4.36，以电导率法计算的循环水浓缩倍数为2.99，以总硬度法计算的浓缩倍数为2.51。氯离子浓缩倍数和电导率的浓缩倍数均高于总硬度的浓缩倍数，因此，虽然补水水质较好，但还是存在硬度离子结垢丢失的情况，由此可以判定循环水系统存在结垢问题。

2.2 量子管通环安装后的循环水情况

2.2.1 外观表现

在硝基氯苯生产装置循环水系统安装量子管通环后,在相同负荷下，换热器的进出水温差和换热器刚投用时相差无几，直接说明了量子管通环在除垢方面的积极效果。另外,安装一段时间后，肉眼可看见浑浊的循环水变澄清透明，而且后续旁滤系统反洗周期也由约每10天1次延长为约每月1次。

2.2.2 量子管通环与化学药剂法处理循环水系统的比较

闰土新材料氯苯分厂氯化苯生产装置循环水系统仍采用化学药剂除垢，下面对氯化苯和硝基氯苯两个生产系统的循环水浓缩倍数进行比较，再次验证量子管通环的防垢、除垢效果。对两个循环水系统的补水和循环水水质进行分析，并计算浓缩倍数，所得数据绘制成的曲线图如图2、图3所示。

图2 硝基氯苯生产系统循环水浓缩倍数变化曲线Fig.2 Curve of change in cycles of concentration of circulating water for nitrochlorobenzene

图3 氯化苯生产系统循环水浓缩倍数变化曲线Fig.3 Curve of change in cycles of concentration of circulating water for chlorobenzene production device

由图2、图3可见：两个生产系统的循环水浓缩倍数都不高，且硬度的浓缩倍数均高于氯离子的浓缩倍数。说明两个系统的结垢问题均较轻。图2、图3比较可见：硝基氯苯生产系统的循环水随时间延长硬度浓缩倍数呈现稳定的上升趋势，在安装量子管通环节点(图2中检测点11)，硬度浓缩倍数明显上升，也从侧面证明了量子管通环对水中离子的稳定能力。

3 挂片试验

3.1 试验方法

(1)试验前处理

用丙酮溶液或酒精清洗碳钢挂片表面的油膜，干燥后称重并记录。

(2)挂片试验

在硝基氯苯生产装置的循环水系统安装量子管通环前，在冷却塔水池里吊装循环水检测挂片。

(3)试验后处理

将从水池里取出的挂片放入烘箱烘干(时间不宜过长)，烘干后进行称重并记录，计算结垢速率。

将挂片放入超声波仪器清洗20 min,用工具将挂片表面腐蚀物除去(腐蚀物除去后，再次用超声波清洗干净)，放入烘箱进行烘干，对干燥后的挂片称重并记录，计算腐蚀速率。

3.2 试验结果

3.2.1 结垢速率

按时间先后顺序测得的结垢速率绘制成的曲线如图4所示。

图4 挂片结垢速率变化曲线Fig.4 Curve of change in coupon scaling rate

从图4可以看出:安装量子管通环后，循环水中挂片结垢速率处于持续下降趋势，由最初的近25 mg/(cm2·月)下降到10 mg/(cm2·月)以下[符合低于15 mg/(cm2·月)的标准[5]要求]，说明量子管通环防水垢效果明显。

3.2.2 腐蚀速率

按时间先后顺序测得的腐蚀速率绘制成的曲线如图5所示。

图5 挂片腐蚀速率变化曲线Fig.5 Curve of change in coupon corrosion rate

从图5可以看出：安装量子管通环后，循环水中挂片腐蚀速率持续保持下降趋势，安装初期最高值0.364 50 mm/a，使用过程中最小值0.070 35 mm/a(符合低于0.075 mm/a的标准[5]要求)，说明量子管通环防腐缓蚀效果明显。

4 结语

(1)量子管通环可用于结垢型水体，对换热设备结垢起到了很好的除垢及阻垢作用。

(2)量子管通环对换热设备的腐蚀起到了积极的抑制作用。

(3)量子管通环可极大提升循环水浓缩倍数，用于循环水系统节水效果良好。