空分设备的清洗

作者：杭州杭氧科技股份有限公司 许郁苍

欢迎访问e展厅 展厅 3 压缩机/分离/过滤机械展厅 压缩机, 空气压缩机, 过滤器, 滤清器, 滤油机, ... 1、空分设备及其性能特点 1.1 空分设备 空分设备就是以空气为原料，通过压缩循环深度冷冻的方法把空气变成液态，再经过精馏而从液态空气中逐步分离生产出氧气、氮气及氩气等惰性气体的设备。 目前我国生产的空分设备的形式、种类繁多。有生产气态氧、氮的装置，也有生产液态氧、氮的装置。但就基本流程而言，主要有四种，即高压、中压、高低压和全低压流程。我国空分设备的生产规模已经从早期只能生产20m3/h（氧）的制氧机，发展到现在具有生产20000 m3/h、30000 m3/h和50000 m3/h（氧）的特大型空分设备的能力。 1.2空分设备的基本系统： 空分设备从工艺流程来说可以分为5个基本系统： 1.2.1 杂质的净化系统：主要是通过空气过滤器和分子筛吸收器等装置，净化空气中混有的机械杂质、水分、二氧化碳、乙炔等。 1.2.2 空气冷却和液化系统：主要由空气压缩机、热交换器、膨胀机和空气节流阀等组成，起到使空气深度冷冻的作用。 1.2.3空气精馏系统：主要部件为精馏塔（上塔、下塔）、冷凝蒸发器、过冷器、液空和液氮节流阀。起到将空气中各种组分分离的作用 1.2.4 加温吹除系统：用加温吹除的方法使净化系统再生。 1.2.5仪表控制系统：通过各种仪表对整个工艺进行控制。 2. 空分设备表面清洁度及其检查方法 2.1空分设备容易发生燃烧的原因 发生燃烧甚至爆炸必须满足3个条件：有一定数量的可燃物质、存在相应数量的氧化剂、最低限度的能量保障。空分设备工作环境的最大特点是在低温或常温条件下流通着介质氧。纯氧是强氧化剂，即使在-183℃的液化低温状态下，只要易燃易爆物的数量或浓度超过爆炸极限，介质氧由于高速流动摩擦所产生积累的能量达到一定值时，仍然会发生爆炸，造成人员伤亡和设备损坏。故此空分设备中凡能与介质氧接触的部分，其表面清洁度要求都很高，不允许有机械杂质及油脂等有机物存在，这些物质必须清除干净。 空分设备禁油零部件的脱脂清洗就是通过物理或化学的方法，选用适当的清洗剂通过特定的清洗工艺对其表面进行处理，保证其表面有机物的浓度控制在爆炸极限以下。这是空分设备安全运行的必要措施，经表面处理后，还要经严格的检查与检验，才能投入使用。 2.2 空分设备表面污垢的种类 检查空分设备表面清洁度的指标应包括以下四类物质： （1）固体物质：有机物如有机防锈剂、木质、纸、纤维、涂料等；焊接熔渣及飞溅物、金属屑、焊丝及其他金属物；砂子及类似的颗粒物质，以及在工作条件下可能溶解的其它物质。 （2）清洗液及水 （3）浮锈及氧化皮 （4）矿物油及油脂 2.3表面清洁度的检查方法 固体物质、清洗液、水及锈疤可以直接用眼睛目视检查。在明亮灯光照射下，眼睛观察被检设备表面，察看有否残留的固体物质。不允许有直径（或对角线）超过0.5mm的固体颗粒存在，直径（或对角线）在0.25～0.5mm之间的固体颗粒总和应少于100粒/m2，并且不得有纤维、灰尘和织物存在。个别残留的纤维其长度不得超过2mm；不允许有残余的清洗液和水存在，表面应该完全干燥。 矿物油及油脂的测定可分为直接检查法和定量测定法。直接检查法有滤纸擦拭法、紫外荧光法、涂水试验法和滴水扩散法等，定量分析法可分为重量法和油分浓度测定法。 目前我国空分设备表面残油量的测定基本上以油分浓度测定法为准，也以该法应用最广。 3. 空分设备表面油脂残留量标准的确定 空分设备的脱脂清洗，就是为了去除部件表面的油脂，以达到符合标准规定的表面油脂残留量的要求。标准所规定的残油量越低，对清洗设备的要求也将越高，清洗工艺也将更繁琐，劳动强度、清洗成本均将大幅度提高。空分设备禁油的零部件表面残测量的标准应该如何确定？本人以为其原则应是既要贯彻ISO9000，确保产品质量，能保证系统运转的绝对安全，同时残油量的数量值又要定得合理、恰当。 我认为这个合理数值的实质是油脂在氧介质中的行为、富集和爆炸的极限浓度。一些文献综述的文章[1]及Mckinley.c[2]等都指出，溶解于液氧中的碳氢化合物的混合物爆炸下限可取5%（克分子）甲烷当量。混合物中碳氢化合物浓度超过上述极限时，就会成为易爆混合物，有特殊的危险性。 这一极限浓度也适合于碳氢化合物以悬浮体或乳胶体形式在液氧中均匀分布。5%克分子甲烷当量经换算后，相当于28kgCnH2n/m3液氧。液氧中的油脂来源于空分设备内跟介质氧接触的表面残留的油垢。不同比表面的零部件的油富集度不一样，单位容积的表面越大，则富集度越大。我们假设表面残油全部进入液氧时，经换算可以求出不同比表面的零部件表面残油量的极限值（见表1）。 表1 不同比表面产品残油量极限计算值 产品 比表面积 残油量极限计算值 名 称 规格 g／m2 μm 规整填料 750#350# 750350 3580 4194 氧冷却器 160 175 200 液氧低温贮槽 50m3 100m3 42 700014000 由表1看出，若空分系统中和介质氧接触的表面残留油脂绝对均匀地分散在液态氧中（这是一种实验室里的理想状态），那么发生爆炸的极限油脂残留量是相当高的。 器壁上的油在低温状态下的形态实际如何呢？“低温条件下结构填料上油膜性能”[3] 一文介绍了林德、Anton Kirzinger等所做油膜在氧气及液氧中的性能研究。Kehat使用正十六烷作为典型物质，在液氧中做燃烧实验，在低温下，位于不锈钢管壁的正十六烷膜会固化，当油膜厚度＞5g/m2时，观察到一部分油层剥落，形成的固态的正十六烷膜在液氧表面浮动。尽管正十六烷在环境温度下具有流动性，而在低温条件下会剥落，Kehat还是不能将油点燃，因而他提出在用氧系统中，大约5 g/m2的油污染是可以容忍的。 Ball在另一篇文章中也得出了同样结论，他建议在富氧环境条件，油污染的允许限度为1 g/m2。上面已提到的Mckinley.C在提出液氧中的碳氧化合物的混合物爆炸性下限可取5％克分子甲烷的论述后，又提到易爆杂质在金属表面上以薄膜形式存在于液氧中时，在爆炸极限下，即使层厚很薄，燃烧也会沿薄膜扩展，这就有了一个临界厚度。一些碳氢化合物于液氧中爆炸参数见表2。 H（见原文）等[4]通过实验确定了引起爆炸的最小碳氢化合物层厚：工业油-12的层厚40～50µm、其他碳氢化合物层厚15-30µm时发生的爆炸作用，会使Ф10mm×1mm、Ф12.5mm×1.5mm的铜管和铝管遭到破坏。这一实验结果同表2所列数值吻合。 表2 碳氢化合物在液氧中的爆炸参数[4] 名称 爆炸作用速度m/s 临界厚度δ临界，μm 乙炔戊烷乙烷工业油--12 1350171016101500 --121035 现将上述数据和有关的表面残油量标准进行统一整理，工业油—12、正十六烷及油脂的密度均取0.85g/cm3进行换算，列于表3。 表3 空分设备表面允许的最大残油量 作 者 残留油分量大允许值 g／m2 μm Mckinley.CHebctpyeba.E.HKehat 3025.75* 35*30*5.9 BallJB/T6869-93 1*0.125* 1.20.147 从表3看出，《JB/T 6896—93空气分离设备表面清洁度》标准的残油量规定均远远低于油脂的爆炸极限，这是考虑到空分设备各部件比表面积不同及油脂分布的不均匀性。 我国JB/T 6896—93行业标准规定：凡与氧气接触的零件表面及运转中残油可能带入氧气的零件表面，油脂的残留量不得超过125mg/m2。按该标准生产制造的空分设备，从全国范围来看，没有发生因“油”的原因而爆炸的。这可否说明125 mg/m2的残油量对清洁度要求最苛刻的部件也是安全的。当然，随着科技的发展，第六代空分设备使用了规整填料。原先在化工产业中应用的填料，其表面的残油量的概念是不存在的。也就是说化工填料表面的油脂不影响其使用。而移植到空分设备中的就不一样了，由于其比表面大，油脂富集度高，必须经过仔细的清洗才能使用，此时，填料的清洁度作为一个重要的问题引起广泛重视： 规整填料表面残油量标准如何确定？至今未有统一的说法。1995年无锡雪浪化工填料厂为杭氧“1000”空分制氩设备生产SW—1规整填料。我们规定其残油量标准为100mg/m2，并以此作为检测验收标准，投产后至今运转正常。证明这样规定规整填料表面残油量标准是合适的 4 空分设备脱脂清洗常用的清洗剂 清洗金属表面使之清洁，是防止产品被大气腐蚀的重要因素之一。在空分系统中，清洗除了起到防腐作用之外，防爆更为重要，是空分系统中不容忽视的、至关重要的一环。制造空分设备所使用的材料多种多样，既有不锈钢制品，又有铝及其合金，铜及铜合金制品。外形尺寸相差很大，对清洗精度（孔径公差）的要求也不一样。因此，我们针对不同的工况采用不同的清洗剂制定了不同的清洗工艺，但产品的最终清洗一般均采用四氧化碳浸泡或擦洗，以符合表面油脂残留量≤125 mg/m2的行业标准。 那么残油量≤125 mg/m2是怎么样的一个概念呢？直观的说就是在一平方米大的平面上，只要滴上3～4滴油，并让其均匀地铺展整个表面，这时表面上油膜厚度仅为14×10-8米。对于如此高的清洁度要求，显而易见，工艺难度较大。 可用于清洗的清洗剂有：石油类溶剂、有机类溶剂、卤代烃溶剂、碱溶液及水基金属清洗剂等。 4.1石油类溶剂 使用低沸点石油系列溶剂，如200号工业汽油、煤油、轻柴油等清洗油脂是极为普遍的方法。这些溶剂能溶解油脂，使油脂进入溶液。但石油类溶剂不能溶解水溶性污物，所以不能清洗掉盐类、汗液等污垢。一般在生产中作为精洗工艺中的预洗清洗剂使用。这类清洗剂清洗后获得的是疏水性表面，下一步清洗时要注意。同时由于它可燃有毒，使用时需要有安全措施。 4.2卤代烃清洗剂 空分设备清洗剂用量大，从安全等方面考虑，酒精、丙酮等易燃有机溶剂理所当然不在采用之列，因而通常采用不燃的卤代烃清洗剂。这类清洗剂的优点：①对油脂溶解性好，去污快；②表面张力小，渗透力强；③不燃烧，防火性好；④对水溶解小，易与水分离；⑤清洗后的物品易于干燥取出即干，不需要干燥处理。 用于清洗的卤代烃有CFC—113、四氯化碳、四氯乙烯、三氯乙烯、1,1,1-三氯乙烷等。这类清洗剂还广泛使用于电子、机械和服装业的清洗中。其缺点是气味重、毒性强，而CFC—113、四氯化碳会对大气的臭氧层产生破坏。常用卤代烃性能见表4。 表4 常用卤代烃性能汇总表[5][6] 名称、结构式 沸点/ºC 表面张力 密度/(g/cm3) 蒸汽相对密度(25ºC) 毒性 四氯乙烯CL2C=CCL2三氯乙烯CHCL=CCL2四氯化碳CCL4 47.774.112186.776.8 17.325.431.329.3 1.561.341.621.461.58 6.974.65.74.55.3 低低中中高 4.3碱性化学水溶液及水基金属清洗剂 典型强碱清洗液含有NaOH、Na2SiO3、Na3PO4、Na2CO3等，主要用于钢铁的清洗，而水基金属清洗剂则是各种亲水性较强的表面活性剂组合使用。这类清洗剂对动物油通过皂化作用，使之溶于水中，对非极性的矿物油有乳化作用，使之乳化后溶于水中，且也能溶解汗迹及无机污物。但缺点是清洗速度较慢，一般需要加温并辅以振动、冲刷、超声波等清洗手段，最后必须用水清洗至pH值为中性并立即干燥。这类清洗剂清洗时必须注意要控制其水溶性的pH值，以防止对金属的腐蚀。见表5。 表5 各种金属发生腐蚀的临界pH值[5] 金属材料 锌 铝 锡 黄铜 钢铁 pH值 10 10 11 11.5 13 5、用水基金属清洗剂替代四氯化碳清洗的经验 四氯化碳因其具有脱脂性能好、价廉、沸点为76.8℃、能在常温下挥发干燥等优点，曾被空分行业广泛使用。但四氯化碳有轻度的麻醉作用，对人体的脏器，特别是肝和肾有严重损害[6]；同时四氯化碳的气味难闻，对操作人员的刺激很大，更因为它属ODS物质，破坏臭氧层[7]；所以为了操作人员的身体健康，为了保护环境、造福子孙后代，我们必须尽快禁止使用四氯化碳。2003年6月1日国家环保总局明令规定不得使用四氯化碳清洗剂。 事实上，杭氧集团公司已经自觉地在四氯化碳替代技术方面进行了多年的工作。 1989年当水基金属清洗剂作为一种新产品刚在我国出现的时候，我们即开始进行波纹管截止阀等零件的清洗脱脂新工艺试验，1990年用77-2清洗剂代替四氯化碳清洗波纹管获得成功，并应用于生产实际。除77-2外还对HX-1、32-1、MT-28等不同型号的清洗剂的腐蚀性、清洗能力、毒性、成分、对环境的影响等进行评估和试验，使水基清洗剂的应用进一步扩大。1996年成功应用在氧透冷却器的脱脂上，1998年在氧透冷却器的脱脂清洗中，水基清洗剂已经全部代替了四氯化碳。这既节省了清洗费用、又减少了ODS物质的排放，保护了大气臭氧层。 杭氧集团公司还在不同的工艺条件下，用各种型号的水基金属清洗剂对不同材质的零件进行了清洗效果的测定和比较，完全达到JB/T 6869-93标准的要求。 水基清洗剂的清洗效果不如四氯化碳，所以只凭简单的清洗工艺难以达到空分设备清洁度的要求，需要有加热、搅拌设备，要有相应的浸泡清洗容器和喷淋装置。又因为零件的最后一道清洗须用纯净水处理，在室温下，水的蒸发干燥较慢，所以要求有相应的干燥设备，以保证脱脂面的及时干燥，防止表面锈蚀和再污染。第三，水清洗将产生大量废水，废水pH值高，而且除含有清洗剂表面活性剂外，尚含有油脂、COD、悬浮物等有害成分，废水必须经过处理、达到环保要求后才能排放。 经过近几年的努力，杭氧公司已经实现了在全公司范围内的非四氯化碳清洗，淘汰了四氯乙烯和四氯化碳在生产过程中的使用（按杭氧近几年的产值估算，每年至少要少消耗15吨四氯化碳），为保护环境、保护臭氧层做出了应有的贡献。由此可见，在全空分行业内实现非四氯化碳清洗工艺，只要经过努力，是可以做到的，而且必须做到。 参考文献 [1] 沈跃 碳氢化合物在冷凝蒸发器中爆炸极限，杭氧科技 1995(4) [2] Mckinley C. Himmdlerger F. chem. Eng progr,1957,V52,No3 [3] Anton Kirzinger,顾荣而 译 低温条件下结构填料上油膜性能，杭氧科技，1995(4) [4] heacrpyeaa 1967 7 13 No.5 [5] 周静妤，防锈技术，北京：化学工业出版社 [6] 工业毒理学下册，上海：上海人民出版社 [7] 许郁苍 脱脂清洗和臭氧空洞 杭氧科技 1999(1)(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/13/2004)