本文以燕山石化乙烯裂解车间蒸汽发生机组换热器为研究对象,系统地研究了换热器壳程复合油垢的在线化学清洗方法,主要工作概括如下:(1)首先检测了换热器垢样和工艺介质成分,以检测结果和换热器的工作参数为依据,分析出污垢产生的主要化学反应为工艺介质中油分产生的自由基在热引发作用下的加成缩合芳构化;结合污垢共性的生长阶段和各阶段的作用机制,分析了该类污垢产生过程可能受到换热器表面材料、温度和温差、介质流速和性质因素的影响。(2)通过实验和数值模拟相结合研究了上述因素的影响机制:实验将急冷油置于内置循环的恒温加热槽中,称量不同介质流速和加热温度下碳钢实验棒上的结垢量。实验表明:介质流速越大、结垢量越少,且同样的速度增量下,结垢量下降得越明显;加热温度越高、冷却温差越大,结垢量越多、形成的污垢质地越坚硬。Fluent模拟采用流固耦合传热,模拟了换热器内温度分布和基本流场,并通过设置不同的垢层厚度,模拟结垢对换热器温度场的影响,采用Discrete Phase模型通过设置面射流方式模拟换热器内已经形成的污垢粒子在不同影响因素下的沉积过程。模拟表明:换热器来流方向的折流板后侧形成涡街区,换热效果最差,最易结垢;随着垢层厚度的增加,换热量持续下降,垢层均布1mm时,管壁换热量下降达50%;换热器表面粗糙度在一定范围内,随着表面粗糙度的增大,污垢与壁面接触区域增大,污垢越容易附着,超出一定范围后,粗糙度再增大将使壁面附近湍流加剧,反而会剥蚀污垢,使总结垢量减少;表面反弹系数越大,污垢沉积越困难,结垢量越少,油垢粘性越大,对表面反弹系数的降低越明显;随着介质流速的增大,污垢的总沉积量下降,流速增大到一定程度后,污垢沉积量下降趋势减缓,这与实验结果相匹配。(3)结合油垢特性和清洗剂作用机制,配置了绿色环保可循环的油溶性在线化学清洗剂,清洗剂以柴油为清洗溶剂,1:1:1复配A、C、D三种表面活性剂与适量乙醇助溶剂,并通过实验测量了浓度、温度对清洗剂作用效果的影响,实验表明:温度的升高总是有利于污垢的溶解;随着清洗剂浓度的升高,溶垢率相应上升,直至达到一个峰值;超过这一范围后浓度再升高,溶垢率会迅速下降直至达到相对平衡状态。最终通过正交实验结合现场清洗环境确定清洗剂最佳作用浓度为15%,最佳作用温度80℃。(4)在自行设计的清洗动力实验台上,实验研究了不同清洗方案下的清洗效果和不同清洗剂流速及换热器排空对污垢排出的影响,实验表明:正反洗交替清洗可以大大提高污垢的排出率;清洗剂流速的增大和适当的换热器排空有利于污垢排出换热器。(5)基于待清洗换热器EA-124实体,采用Mixture模型,数值模拟了正洗、反洗和正反交替清洗时的换热器流场变化和污垢排出情况,结果与上述实验结果相符;并通过监测出口污垢排出量确定了合理的正反洗切换时间。此外,通过监测不同的污垢体积分数下压降变化,得出结论:在经济清洗流速下(1-2.5m/s),平均污垢体积分数每增大20%,压降增大10%-20%左右,是计算清洗动力时不可忽略的因素。(6)基于上述研究,结合现场待清洗换热器具体情况,优化了在线清洗流程,并通过理论计算选取了清洗装置中主泵型号,配置了相应的清洗槽及附属管路,清洗结束后经多方面评价均反映出清洗效果良好。本研究提供了从垢样分析—结垢机理研究—清洗机理研究—清洗剂配置—清洗流程设计—清洗装置匹配—清洗方案完成—清洗效果评价的完整在线化学清洗思路,可以有效地解决目前化学清洗存在的盲目性问题,且对于工艺介质和运行参数与本文研究对象类似的其他换热设备,本文所提供的实验数据和结论也有一定的适用性,因而本研究可以有力地推动油垢类换热设备的在线化学清洗技术的的工业化实施。此外,本研究中所提出的一些实验方法和模拟手段也为后续换热设备强化传热技术的研究奠定了一定的基础。