氯化苯循环水系统技术改造

刘 伟，周杰文，李文兰，王海鸥，阮兴龙

（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化苯分厂（以下简称闰土新材料氯苯分厂）2014年开始建设，2016年试生产，主要生产氯化苯、对硝基氯苯、邻硝基氯苯。氯化苯装置为连续化生产装置，生产工艺因含有苯、氯苯等溶剂型有机物以及盐酸等酸性物质，所以系统中存在很多石墨换热器，另外涉及原料及产物特别是同分异构体间的塔式精馏分离，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（一般为杀菌剂、阻垢剂、除藻剂等）处理后循环水系统的相关换热设备有腐蚀结垢、补水量大等现象[1，2]，需要阶段性酸洗，虽然酸洗比较简单，但需要装置停车，影响生产。为确保公司装置安全长周期稳定运行，针对氯化苯循环水系统使用化学加药法处理换热设备存在的腐蚀结垢较严重、部分设备换热效率降低等问题，在硝基氯苯循环水系统成功应用基础上[3]，采用具有物理除垢、缓蚀、杀菌技术的量子管通环应用于公司氯化苯循环水系统后，起到了很好的除垢除锈、缓蚀阻垢的作用[4]。

1 量子管通环介绍

1.1 量子管通环工作原理介绍

量子管通环由特种信息记忆材料制成，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的软化脱落；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，从而替代化学药剂添加处理循环水，起到阻垢缓蚀、抑菌灭藻的作用。

1.2 量子管通环特点

（1）高效稳定。按规定方法正确安装使用，能起到阻锈除垢、杀菌灭藻的效果，长时间保持稳定。

（2）安装简便。没有电源，不用切割管道，两个半环用螺栓紧固即可，对现有管道系统不造成任何影响，可以实现在线安装。

（3）零维护费用。一旦安装即不用任何检测和维护。

（4）零运行费用。不用电源，无人工、药剂、检测等运行费用。

（5）绿色环保。无需任何化学添加剂，自然环保。

（6）节水节能效果好。由于结垢，管路系统热传导效率降低最多可达50%以上，系统补充用水量可高达1倍以上，能源消耗增加可达10%以上，采用合适的量子管通环可使水耗和能耗逐步恢复到设计初始状态。

（7）延长系统使用寿命。对管路系统在内壁形成保护膜，若管道外无腐蚀，理论上管道寿命将无限期延长。

（8）效费比高。在达到药剂处理同等或优于效果的情况下，综合考虑节省人工、药剂、维护、能耗、延长管道寿命等因素，其效费比是传统化学除垢方法的数倍。

1.3 量子管通环安装方案设计

氯化苯循环水主要在氯化液干燥、氯化反应系统、精馏分离系统、氯化尾气系统使用，根据氯化苯循环水在不同工艺单元的使用情况，在不同的循环回水管道上分别安装型号为1套DN200，2套DN250和1套DN300。4套量子管通环分别对应盐干燥系统、氯化反应系统、精馏分离系统和氯化尾气系统。这种设计既考虑量子管通环整体分布后对整个循环水系统全面处理情况，又对循环水要求较高的不同单体实现了精准调控。

2 量子管通环在氯化苯循环水系统的运行情况

量子管通环在氯化苯循环水系统投运至今，未添加任何化学药剂进行额外处理，旁滤系统定期运行。

2.1 氯化苯循环水系统情况

图1 氯化苯装置循环水系统量子管通环安装方案示意图

氯化苯生产装置循环水系统主要为氯化苯的氯化反应系统、精馏分离系统、盐干燥系统及氯化尾气系统提供冷却水，循环水补水为自来水和氯苯及硝基氯苯装置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）见表1。

表1 循环水和补水水质分析数据

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。

按照表1数据，分别以总硬度法、电导率法和氯离子法计算循环水的浓缩倍数（以自来水为补水进行计算）。以总硬度法计算得到的循环水浓缩倍数为4.89，以电导率法计算得到的循环水浓缩倍数为5.57，以氯离子法计算得到的循环水浓缩倍数为5.26。根据计算数据可以看出，电导率浓缩倍数和氯离子浓缩倍数均高于总硬度浓缩倍数，系统存在硬度离子结垢丢失的情况，虽然系统补水水质较好，但该循环水系统仍然存在结垢问题。

2.2 量子管通环安装后的循环水情况

2.2.1 外观表现

与传统的化学药剂法相比，氯化苯生产装置循环水系统安装量子管通环一段时间后,肉眼可看见浑浊的循环水逐渐变得清澈透明，而且后续旁滤系统反洗周期由约15天延长为约35天。未安装量子管通环前,循环水池立柱有菌藻生成，循环水水池壁上藻类繁殖较快，安装后菌类生长明显受到抑制，挂壁现象逐渐减少。

2.2.2 氯化苯用循环水的换热器及管道等情况

量子管通环安装后，氯化苯生产装置用循环水的换热设备运行正常，未出现循环水侧因腐蚀发生泄漏停车的情况，整个生产系统运行平稳。在相同负荷下，换热器特别是石墨换热器的进出水温差和刚投用时相比数据变化不大，说明了量子管通环在除垢方面效果明显。

2.2.3 量子管通环安装后浓缩倍数变化

实际生产中为了保证循环水的处理效果，必须控制好循环水的浓缩倍数，较高的浓缩倍数意味着循环水中的硬度、碱度较高，循环水的结垢趋势增大，换热设备结垢趋势增大。闰土新材料氯苯分厂氯化苯生产装置循环水系统采用量子管通环除垢，对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，验证量子管通环的防垢、除垢效果，将所得的浓缩倍数的数据绘制成的曲线图见图2。

图2 氯化苯生产系统循环水浓缩倍数变化曲线

由图2发现，安装量子管通环前后氯化苯生产系统的循环水浓缩倍数均不太高，安装量子管通环后，氯化苯生产系统的循环水浓缩倍数呈下降趋势，且硬度浓缩倍数始终高于氯离子浓缩倍数，说明系统结垢较轻。这都与氯化苯循环水池补充水基本为蒸汽冷凝水为主，自来水为辅有一定关系。另外是氯化苯循环水系统安装量子管通环后，取代了化学药剂的添加，一些酸性阻垢剂和含氯杀菌剂不再加入，通过旁滤系统定期的不断置换，氯离子和金属离子浓度逐渐降低至动态平衡。通过量子管通环安装前后数据对比，氯化苯的循环水经历了从安装前硬度浓缩倍数小于氯离子浓缩倍数到安装后硬度浓缩倍数大于氯离子浓缩倍数的变化，说明量子管通环起到了一定的防垢阻垢效果。

3 挂片实验

3.1 挂片实验所用主要化学试剂及仪器

（1）主要试剂：无水乙醇。

（2）主要仪器：分析天平（METTLER TOLEDO ME204E），电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司ZG--DC03），碳钢实验挂片。

3.2 挂片实验方法

（1）实验前处理

用酒精清洗碳钢挂片表面的油膜，干燥后称重并记录。

（2）挂片实验

在氯化苯生产装置的循环水系统安装量子管通环时，在循环水池里吊装循环水检测用的碳钢挂片。

（3）实验后处理

将从氯化苯循环水池里取出的碳钢挂片放入电热恒温鼓风干燥箱烘干（时间不宜过长，一般30 min为宜），烘干后分析天平进行称重并记录，计算结垢速率。

其中结垢速率计算公式如下。

式中：S—结垢速率，mm/a；

M—实验前碳钢挂片的质量，g；

M1—实验后碳钢挂片的质量，g；

S—碳钢挂片的总面积，cm2；

T—所用碳钢挂片实验时间，h。

将不同的碳钢挂片分别放入超声波仪器清洗20 min，用工具将挂片表面腐蚀物质除去（腐蚀物除去后，再次用超声波清洗干净），放入电热恒温鼓风干燥箱进行烘干，对干燥后的挂片分析天平称重并记录，参照JB/T 7901-1999计算腐蚀速率[5]。

其中腐蚀速率计算公式如下。

式中：R—腐蚀速率，mm/a；

M—实验前碳钢挂片的试样质量，g；

M1—实验后碳钢挂片的试样质量，g；

S—碳钢挂片的总面积，cm2；

T—碳钢挂片的实验时间，h；

D—所用碳钢挂片的密度，kg/m3。

腐蚀速率用所实验的全部平行碳钢挂片的平均值做曲线，当某个平行试样的腐蚀速率与平局值的相对偏差超过10%时，应取新的碳钢挂片做重复试验，用第二次实验结果进行计算。当在达不到要求时，则应同时计算两次实验全部碳钢挂片的平均值和每个碳钢挂片的腐蚀速率。但腐蚀速率小于0.1 mm/a时不在此列，此时应表征全部碳钢挂片的腐蚀速率。

3.3 实验结果

3.3.1 结垢速率

将氯化苯生产系统循环水按碳钢挂片实验开始时间的先后顺序检测计算得到的结垢速率绘制成的曲线见图3。

图3 氯化苯生产系统循环水碳钢挂片结垢速率变化曲线

从图3可以看出，氯化苯循环水系统的管路安装量子管通环之后，循环水中碳钢挂片结垢速率处于相对平稳的下降趋势，由最初的15.9 mg/（cm2·月）下降到现在的10 mg/（cm2·月）以下[已符合低于15 mg/（cm2·月）]的标准[6]要求，说明量子管通环除垢阻垢效果明显。

3.3.2 腐蚀速率

将氯化苯生产系统循环水按碳钢挂片实验开始时间的先后顺序检测计算得到的腐蚀速率，绘制成的曲线见图4。

图4 氯化苯生产系统循环水碳钢挂片腐蚀速率变化曲线

从图4可以看出，氯化苯循环水系统的管路安装量子管通环之后，循环水中碳钢挂片的腐蚀速率处于持续稳定下降趋势，安装初期最高值0.298mm/a，使用过程中最小值0.138 mm/a，下降到现在的0.145 mm/a以下（已符合低于0.155 mm/a）的标准[6]要求，说明量子管通环防腐蚀效果明显，而且仍呈下降趋势，腐蚀速率有进一步降低的可能。

4 经济效益

（1）运行成本低

在2 000 m3/h的循环水系统中，量子管通环法平均运行费用为3.3万元/a（平均使用年限可达10年）；而在2 000 m3/h的循环水系统中，药剂法平均运行费用为10万元/a。因此，不考虑每年定期检修酸洗除垢的费用，相比药剂法，2 000 m3/h的循环水系统采用量子管通环处理可节约费用6.7万元/a。

（2）节约水费

后续旁滤系统反洗周期由约15天延长为约35天，每次反洗水约为4m3，可人工设置。每年节省排水约56 m3，排水作为废水和工艺水收集集中处理，节约费用4200元/a。

5 系统出现的问题及整改措施

氯化苯循环水系统应用量子管通环后，整体效果优于传统化学药剂法，截至目前还未出现因循环水系统腐蚀造成的停车现象。但由于该循环水系统有部分管道为地埋管道，曾有次连续暴雨后地埋管因安装问题出现了爆管，部分污泥进入循环水系统，循环水变浑，相比采用药剂法，没有起到明显的改善作用。

针对循环水变浑的情况，经过与厂家沟通，结合量子管通环的原理，这种情况旁滤器的作用非常关键。后短期增加了循环水的反洗频次，循环水浊度很快恢复正常，目前量子管通环使用情况良好。

6 结论

（1）量子管通环可用于结垢型水体，对换热设备特别是涉及精馏分离装置的换热设备结垢起到了很好的除垢及阻垢作用，极大提升了换热效果；

（2）量子管通环对换热设备防腐起到了一定的促进作用，效果持续稳定；

（3）量子管通环可取代化学药剂的使用，免维护，减少反洗次数，减少了水排放。