超声波在防除结垢中的应用

　　在石油、化工、冶金、热电、制糖、食品等行业中,换热传热设备、蒸发冷却设备及金属管道内的结垢问题一直是行业的一大难题。由于积垢传热效能差,给工业生产带来不必要的巨大开支。1977年英国对国民经济因积垢而造成能量费用增加和产量减少等损失费用作了粗略估算,结果损失约5亿英磅[1]。由于结垢而引起的爆炸、被迫停车、停产等事故时有发生。由于水垢的导热性差而造成每年浪费标准煤约1亿吨[2]。我国仅糖厂每年因积垢而损失的费用就近6亿元人民币。除垢在相关行业中占据重要位置。

　　1 传统的除垢方法

　　传统除垢方法[3]主要有机械除垢、碱煮、酸洗和有机除垢剂除垢。不同行业采取了不同的清垢方式,其方式主要有在线连续清垢和离线停工清垢两类。在线连续清垢的传统方法有注入阻垢剂法、涂料法、永磁法、电磁法及高频法。其中阻垢剂需要连续注入,每次用量难以把握,清垢效果时好时坏;涂料法对涂料工艺要求高且价格昂贵,若达不到工艺要求,会造成涂料脱落,起不到防垢作用;而后三种方法因成本高或实施困难,因此不能有效地解决实际问题。离线停工清垢常常是在计划外停工、装置局部停工或各设备切换条件下进行,而传统采用的各种手段,如高压水喷射(机械清垢法)和化学清洗剂(化学清垢法)等,也只是治标不治本,不但给生产造成了影响,同时会增加计划外费用、磨损腐蚀设备、污染区域环境、损害工人健康等。

　　2 超声波防垢的机理

　　近年来,超声波技术在化学反应强化、化工过程强化、废水处理以及新材料合成等方面的研究十分活跃[4, 5]。Nishida I[6]、Dalas E[7]研究表明:超声波防垢主要是利用超声波强声场处理流体,使流体中成垢物质在超声场作用下,其物理形态和化学性能发生一系列变化,使之分散、粉碎、松散、松脱而不易附着管壁形成积垢。

　　2.1 空化效应

　　超声波的辐射能对被处理液体介质直接产生大量的空穴和气泡,也就是把液体拉裂而形成无数极微小的局部空穴,当这些空穴和气泡破裂或互相挤压时,产生一定范围的强大的压力峰,这一强压力峰能使成垢物质粉碎悬浮于液体介质中,并使已生成的垢层破碎使其易于脱落。根据理论和实践测算,用20kHz、50W/cm²的超声波对1cm³液体辐射时,发生空化的气泡数为5x10⁴/s,局部增压峰值可达数百甚至上千大气压。空化效应的存在,很显然超声波不仅能增大溶液的电导率,而且会降低溶液的表面张力及粘度[8]。

　　2.2 活化效应

　　超声波在液体介质中通过空化作用,可以使水分子裂解为H#自由基和HO#自由基,甚至H+和OH-等。而OH#与成垢物质离子可形成诸如CaOH、MgOH等的配合物,从而增加水的溶解能力,使其溶垢能力相对提高。也就是说,超声波能提高流动液体和成垢物质的活性,增大被水分子包裹着的成垢物质微晶核的释放,破坏垢类生成和在管壁沉积的条件,使成垢物质在液体中形成分散沉积体而不在管壁上形成硬垢。