化工设备垢体定性定量分析及清洗方案试验研究

张洁风

摘 要：通过进行实验室垢体定性和定量分析试验，本文确定了垢体组成及各组分含量，选用合适溶剂对垢体进行实验室溶解试验，运用试验数据指导生产实践中垢体清洗方案的制定与实施。

关键词：定性分析;定量分析;溶解试验;清洗方案

中图分类号：TK172;TB490 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）20-0118-03

Qualitative and Quantitative Study of Scale in Chemical

Equipment and Test of Cleaning Scheme

ZHANG Jiefeng

（Safety Technology Service Co.， Ltd. of Henan Academy of Safety Science and Technology，Zhengzhou Henan 455000）

Abstract： Through qualitative and quantitative analysis of scale in laboratory， this paper determined the composition of scale and the content of each component. The appropriate solvent was selected to carry out the dissolution test of scale in laboratory， and the experimental data were used to guide the formulation and implementation of scale cleaning scheme in production practice.

Keywords： qualitative analysis;quantitative analysis;dissolution test;cleaning scheme

化工企業存在各种各样的水冷却设备、水循环设备和换热设备，由于水质、运行环境和操作条件的影响，它们会经常结垢。水运行设备或系统被水垢堵塞，可能造成设备设施运行效率降低、能耗增加、寿命缩短，甚至导致系统停机、停车、设备设施报废、发生生产安全事故等后果[1，2]。为了给结垢设备选择适宜的清洗试剂并制定清洗方案，人们需要先了解各种设备设施垢体的真实组成，并针对垢体选择和制定有效的除垢方案，其间需要进行一系列的实验室试验。

1 方案设计思路

化工企业设备设施垢体性质与使用介质、环境等操作条件存在很大关系，想要找到清洗效果好、有针对性的清洗剂，人们需要了解垢体的基本组成，而垢体组成直接由生产工艺、生产物料决定。因此，人们需要了解生产工艺及生产过程中设备设施所接触的物料组成，从而推断垢体的可能组成并通过实验室试验进一步确定垢体各组分及含量，再根据实验室试验分析结果选取合适的清洗剂，对设备设施垢体进行实验室溶解试验，根据试验结果制定生产现场清洗方案。

2 方案实施过程

2.1 清洗设备选取

本研究选择某化工企业供水车间循环水加压泵垢体作为试验对象，对水泵垢体进行一系列实验室试验，探讨和确定清洗方案。该企业供水车间循环水加压泵主要作用是向生产主装置提供循环冷却水，作用是平衡全厂生产、生活用水、保证水池水位及用水压力，通过泵体的水主要是几个生产装置的生产循环水。2018年3月，使用该循环水的几个岗位反映循环水水量小，接到反映后，生产调度和供水车间立即进行了供水方案调整，但是调整供水方案后效果仍不理想，同时，各使用单位均反映换热器及供水管线内结垢严重，并且供水加压泵检修时发现叶轮及流道内结垢，垢体最厚处达15mm。企业对此展开了一系列的分析讨论会，在明确了垢体形成原因后，需要对生产设备垢体进行清除，及时恢复生产，为此企业考虑先进行实验室试验，了解垢体性质，以选取有效的清洗剂。

分析垢体为企业送检样品，为了探析和掌握垢体成分、选择合适的清洗剂，首先结合企业工艺流程对样品进行了初步分析，在考虑垢体可能存在的物质组分基础上对垢体进行定性分析和实验室溶解垢样试验。因此，笔者对减压泵泵体中的结垢成分进行了系统综合的分析测定和多方验证，并做了科学详细的溶解试验，取得了满意的效果。

2.2 试验过程

对于一个未知试样，人们首先需要知道它是什么物质，这就需要对其进行定性分析，了解该物质含有哪些元素、离子或官能团等，然后推断可能存在的物质。针对推断出的物质，人们可以制定合适的定量分析方法，通过定量分析获得各物质在试样中的含量，根据定性定量分析结果，选择有针对性的溶剂对试样进行溶解试验。

2.2.1 垢样的定性分析。观察外观可知，样品为块状固体，呈浅灰色，无味;取具有代表性的样品制取分析试样，称取一定量分析试样用水溶解后过滤，滤液显碱性（pH>7）;滤渣为水不溶物，经烘干后称量，含量为试样的98.3%。

根据以上分析结果，结合生产中加压水泵水的来源和流向及可能接触到的物料，考虑垢体可能存在NH4+、CO32+、Ca2+、Mg2+离子，对垢体可能存在的离子进行定性分析，分析过程如下。

2.2.1.1 NH4+离子定性。取少许研磨为一定粒度的试样放于烧杯中，加入适量碱液，将贴有pH试纸的表面皿盖在烧杯上，放在电炉上加热，观察pH试纸变色情况，结果是样品蒸汽使pH试纸显示碱色（pH>7），由于企业是合成氨生产企业，因此笔者判断垢体中有NH4+存在。

2.2.1.2 CO32+离子定性。在小节2.2.1.1中，垢体直接用水溶解几乎不溶，因此取适量研细后的垢样用1∶1盐酸溶液溶解，垢样几乎全溶，而且溶解过程中有大量气泡产生，将此气体收集并导入石灰水中，石灰水立刻浑浊，证明溢出气体为CO2，初步判断垢样为碳酸盐类，分析结果为有CO32+存在。

2.2.1.3 Ca2+、Mg2+离子定性。取适量研细试样用1∶1盐酸溶解后储存，供Ca2+、Mg2+定性分析用。吸取适量1∶1盐酸溶解后溶液，用1∶1氢氧化钾溶液调溶液pH=12，加钙试剂，溶液颜色变为酒红色，说明有Ca2+存在。另取适量1∶1盐酸溶解后垢样溶液，用1∶1氢氧化钾溶液调溶液为碱性，加入镁试剂Ⅰ，溶液出现微弱的蓝色沉淀，表示有少许Mg2+存在。

2.2.2 垢样的定量分析。通过定性分析和对生产工艺的了解，本研究基本掌握了垢体的主要成分为碳酸盐类，在定性分析的基础上，结合实验室现有的设备仪器和药品试剂等试验条件，确定了定量分析方案及相应的分析测试方法[3，4]。本次探讨运用经典容量分析方法中的滴定法进行垢样的定量分析。

2.2.2.1 碳酸根（CO32+）定量分析。测定原理：试样用过量的盐酸标准溶液溶解，过量的盐酸标准溶液用氢氧化钠标准溶液返滴定。根据分析过程消耗的盐酸标准溶液、氢氧化钠标准的体积和物质的量浓度计算垢样中CO32+的含量。

测定步骤：称取用玛瑙研钵研细并通过100目筛的垢样0.3g，称准至0.000 2g，置于250mL三角瓶中，加入50mL 0.5mol/L的HCl溶液至垢样完全溶解，加1～2滴0.5%的酚酞指示剂，用0.5mol/L NaOH标液返滴定至指示剂颜色由无色变成红色。分析结果计算如下。

CO32+含量（质量百分数）按式（1）计算：

[CO2+3%=C1V1-C2V2×0.030m×100]        （1）

式中，[C1]为加入过量盐酸标准溶液的物质的量浓度，mol/L;[V1]为加入过量盐酸标准溶液的体积，mL;[V2]为返滴定消耗氢氧化钠标准溶液物质的量浓度，mol/L;[V1]为返滴定消耗氢氧化钠标准溶液的体积，mL;[m]为称取垢样的质量，g;0.030为CO32+的摩尔质量，g/mol。

CaCO3含量（质量百分数）计算公式如下：

[CaCO3%=C1V1-C2V2×0.050m×100]       （2）

式中，0.050为1/2 CaCO3的摩尔质量，g/mL;其他同式（1）。

对垢样进行了三次平行测定，计算结果如表如1所示。

在定性的基础上，通过CO32+的测定，初步判定垢体绝大部分是CaCO3，少量可能为（NH4）2CO3、MgCO3和水不溶物。

2.2.2.2 Ca2+定量分析。測定原理：垢样用适量的1∶1盐酸溶液溶解完全，在pH=12的溶液中用EDTA标准溶液滴定试样溶液中的Ca2+，以钙试剂指示滴定终点，钙试剂由酒红色变为蓝色即为终点。

测定步骤：称取经研细并通过100目筛的垢样0.1g，称准至0.000 2g，置于250mL三角瓶中，用5mL 1∶1的盐酸溶液溶解垢样，然后用1∶1氢氧化钾溶液调样液至pH=12，加入钙指示剂少许，用0.05mol/L的EDTA标准溶液滴至溶液由酒红色变成蓝色。分析结果计算如下。

Ca2+含量（质量百分数）按式（3）计算：

[Ca2+%=CV×0.040m×100]                      （3）

式中，[C]为EDTA标准溶液物质的量浓度，mol;[V]为滴定消耗EDTA标准溶液的体积，mL;[m]为称取垢样的质量，g;0.040为Ca的摩尔质量，g/mol。

CaCO3含量（质量的百分数）按式（4）计算：

[CaCO3%=CV×0.10m×100]                    （4）

式中，0.10为CaCO3的摩尔质量，g/mol;其他同式（3）。

对垢样进行了三次平行测定，计算结果如表2所示。

小节2.2.2.1和2.2.2.2中，Ca2+和CO32-的定量分析结果显示，CaCO3含量分别为98.27%、98.16%，两种方法的绝对误差为0.11%，在误差允许范围内。两种方法相互验证，进一步说明垢体大部分是CaCO3，可能还有少量（NH4）2CO3、MgCO3和水不溶物，进一步为垢样的溶解试验提供了科学依据。

2.2.3 垢样的溶解试验。通过系列的定性、定量分析掌握了垢体的成分和含量，其主要成分为碳酸钙，其合适的溶剂应为盐酸和硝酸，而硝酸的酸性较强又具有氧化性，对泵体腐蚀也较严重。因此，确定盐酸作为溶解垢体的试验溶剂，以此展开实验室溶解试验。

试验步骤：称取未经处理的泵体原始垢样10g，称准至0.1g，放入250mL烧杯中，将工业用盐酸（浓度36%）进行不同浓度的配比，以10mL为单位逐次加到烧杯中进行垢样溶解试验，直至溶解完全，杯口盖上表面皿防止盐酸挥发，记下消耗的溶剂盐酸的体积以及溶解完全所需的时间。试验结果如表3所示。

由表3可得，为了达到清除垢体、不腐蚀设备而且清除时间较短的目的，可以采用3.0%～4.0%的盐酸溶液作为清洗剂将垢体快速而完全清除掉。实际应用中需要加入一定量的缓蚀剂来降低盐酸对泵体的腐蚀。

3 结语

此试验采用的方法较为简单，在试验过程中采用常规的仪器和药品，操作简便易行，结果精确可靠。通过定性定量分析确定该垢体由CaCO3、MgCO3、（NH）2CO3等组成，主要成分为CaCO3，选用盐酸作为清洗剂进行溶解试验，溶解效果较好。实验室的分析结果为顺利安全检维修和清洗垢体方案的制定与实施提供了科学的依据和指导建议，通过实际运用取得了良好的效果，保障了企业工艺生产的连续、均衡、稳定和长周期安全运行。本试验还可推广到其他设备垢体的分析及清洗方案制定中，为企业探索更好的操作条件和设备设施的清洗方案，保障设备长周期安全稳定运行。

参考文献：

[1]武汉大学.分析化学[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]史建军.定性分析[M].武汉：武汉大学出版社，2014.

[3]国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.工业循环冷却水中钙、镁离子的测定 EDTA滴定法：GB/T 15452—2009[S].北京：中国标准出版社，2009.

[4]国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.工业循环冷却水 碳酸盐碱度的测定：GB/T 20780—2006[S].北京：中国标准出版社，2006.