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导热油在工业换热过程中的应用

时间: 2011-07-08 02:01 来源: 作者: 陈南岭 点击:
在工业换热过程中,除非采用热源(冷源)直接对工艺介质进行加热(冷却)的换热方式,一般均采用中间传热介质在热源(冷源)和工艺介质之间作为媒介进行换热。这种通过中间介质进行换热的方式称为间接换热,间接换热的最大优点是可在换热过程中对被加热的工艺介质进行精确的温控,有利于实现工艺过程的有效控制和产品及其质量的精细化。而实现间接换热方式最大优点的关键是在热源(冷源)的工作方式和工艺需求之间找到一种适合的中间传热介质。


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传热介质的比较

导热油,又称有机热载体或热介质油,作为中间传热介质在工业换热过程中的应用已有五十年以上的历史。与传统的传热介质水及水蒸气相比,导热油作为工业传热介质具有以下特点:

■在几乎常压的条件下,可以获得很高的操作温度。即可以大大降低高温加热系统的操作压力和安全要求,提高了系统和设备的可靠性;
■可以在更宽的温度范围内满足不同温度加热、冷却的工艺需求,或在同一个系统中用同一种导热油同时实现高温加热和低温冷却的工艺要求。即可以降低系统和操作的复杂性;
■省略了水处理系统和设备,提高了系统热效率,减少了设备和管线的维护工作量。即可以减少加热系统的初投资和操作费用;
■在事故原因引起系统泄漏的情况下,导热油与明火相遇时有可能发生燃烧,这是导热油系统与水蒸气系统相比所存在的问题。但在不发生泄漏的条件下,由于导热油系统在低压条件下工作,故其操作安全性要高于水和蒸汽系统。

导热油与另一类高温传热介质熔盐相比,在操作温度为400℃以上时,熔盐较导热油在传热介质的价格及使用寿命方面具有绝对的优势,但在其它方面均处于明显劣势,尤其是在系统操作的复杂性方面。

液态金属可作为更高温度的传热介质在工业换热中使用,但实际应用并不广泛。

工业换热过程所需的中间传热介质一般可以根据上述常见的三类传热介质的特点和工艺要求,按照安全、技术和经济三方面综合比较的原则,从其中优选合适者。三类传热介质在工业应用中通常使用的温度适用范围见表1。

当被加热的工艺介质对加热温度有严格要求,或需要采用凝结换热方式时,汽(气)相传热介质应被选用。汽(气)相加热介质可以是水蒸气或气相导热油。

导热油的分类

导热油是有机类传热介质的统称。根据油品的化学成分及其来源,导热油通常被分为矿物类和合成类两大类别。根据油品的物理性质和使用条件,合成类导热油可被分为液相和气/液两相导热油。

矿物类导热油是在原油炼制过程中通过分馏直接获得的,主要化学成分为直链烃类物质,是多种物质的混合物。受其化学和物理性质限制,矿物类导热油只能在液相条件下作为传热介质使用,不可以使用在300℃以上的加热系统和0℃以下的冷却系统。由技术和经济两个方面原因决定,使用后的矿物油不能通过回收处理的方法重复使用。

合成类导热油是通过人工合成方法获得的,主要化学成分是以苯为基础物质的不同化学合成物,该类导热油的组分包括有单纯物质、同分异构物质、几种单纯物质的混合物质或多种合成物质的混合物等多种情况。由于合成导热油的组分可以根据其热稳定性及物性等条件人为加以选择,故该类导热油有多种不同用途的油品,可以满足工业换热中对传热介质的不同需求。大多数合成油在使用中品质发生变化到一定程度后,可经过回收处理后得以重复使用。

导热油的选择原则

以水及水蒸汽、或熔盐作为传热介质,因其化学成分及物性相对固定,故基本不需要对其进行特殊的分类或选择。但对于导热油而言,不同的油品因其化学成分而异,可分为多种不同性质、使用条件和功能的油品,故在选择导热油为传热介质时,必须根据以下原则进行正确的选择。

■热稳定性

热稳定性是导热油最重要的性质之一,它表征了该油品的化学成分在某一温度长期作用下的稳定程度。同时依据这特定性质确定该油品作为传热介质使用时的温度限制条件。

导热油的热稳定性试验是按照行业标准“热传导液热稳定性测试方法”进行的。它采用安瓿法,将所取得的样品置于某一恒定的试验温度下保持一个标准时间段,然后用模拟蒸馏的方法通过气相色谱仪进行分析,然后经计算机将样品的分析结果与未经加热的新油样品数据进行比较,以确定被测样品在试验条件下由于温度应力作用而产生的油品变质率(裂解率)。

油品热稳定性试验结果评价了该油品随温度变化的使用特性,同时也确定了该油品的安全使用限制条件,即该油品的最高允许使用温度。用户将依据此温度数据判断某类油品是否可以满足工艺加热过程中的操作温度要求。

油品热稳定性与导热油的使用寿命有直接的关系。热稳定性高的油品在同样的操作条件下使用寿命更长,所需补充油品的数量小,即操作费用更低,经济性和安全性更高。

■安全、健康及环保性能

导热油的安全、健康及环保性能是用户选择油品时必须考虑的重要问题,因为所选油品的相关性质涉及到对使用该油品系统的设计、设备的选择、操作人员的防护和事故状态下的环境影响等方面因素的考虑,同时与生产过程中的安全操作相关。导热油的安全、健康及环保性能及数据可以从供应商提供的该油品“材料安全数据表”(MSDS)中得到。

■节能及经济性

选择导热油时,不仅需考虑其热稳定性对操作经济性的影响,同时还需了解油品的其它性质对系统节能及综合经济性的影响。

导热油在工业加热过程中长期处于高温状态,由于各种因素的影响,油品不可避免地会发生不同程度的过热超温现象,超温的结果必然导致油品的部分裂解,裂解产物的性质会直接影响到传热过程的效率,如管壁及换热表面的结焦或裂解产物的沉积等,会造成设备和系统的热效率降低,能源消耗上升。故在选择油品时不仅要选择热稳定性更高的油品,同时也应考虑该油品在超温裂解后所产生物质的特性,即应优先选择裂解产物中高沸点物质比例小的油品,以减少其结焦或沉积在换热表面上的可能性。

此外,导热油在长期使用中会因过热、氧化、化学污染等原因造成油品品质的变化,当油品变质到一定程度或一定的数量比例时,会造成油品品质的急剧恶化,严重的情况下会导致导热油的报废或危害系统及设备的安全。此种情况下,如果能够对变质的导热油经回收处理,将处理后的未变质油品再加入系统中继续使用,便可使导热油的使用寿命得以延续,同时也减少了资源的消耗和降低了操作费用。由于合成类导热油的化学组分明确,油品的组分相对简单,且其化学性质和物性相近,故从技术和经济角度考虑,更易于采用简单的回收工艺对其进行加工、处理,以达到改善和提高油品品质,延长其使用寿命的目的。

导热油的高热稳定性、低结焦性和可回收性是导热油系统及设备节能及提高操作经济性的基本条件。

导热油适用条件及应用实例

适用条件

原则上导热油适用于工业加热(冷却)过程中要求传热介质操作温度不低于-80℃和不高于400℃的所有温度情况,但从安全、技术及经济三个方面分析,在极少数情况下,导热油并不适合作为其传热介质去使用,或导热油并不一定是其最佳选择。例如,直接对食品进行加热的传热介质,虽可以选择食品级的导热油作为传热介质,但如果被加热的食品所需的加热温度不超过200℃,那么,蒸汽应是一种更廉价和适合的传热介质。但如果所需的加热温度超过200℃,则因为蒸汽系统操作压力较高,转而使用食品级导热油则更为适当。此外,如被加热工艺介质为氧化剂或在导热油操作温度下易于发生相变的介质,则应考虑系统内部泄漏的情况下,氧化剂会导致导热油的氧化燃烧;而易于发生相变的工艺介质如因泄漏而获得充足热量并达到其饱和温度时,会发生骤然气化导致系统内压力超高。当然,这种情况可以通过提高设备及系统的安全设计等级加以避免,但如果此条件下工艺加热要求的温度并不太高,蒸汽或其它传热介质便是一种更好的选择。

由于导热油作为传热介质最大的优势是在较低的操作压力下可获得较高的操作温度,及在其它传统传热介质无法应用的低温条件下可保持良好的流动性,故导热油在工业换热中适用的条件应该是:在考虑操作安全及经济性的基础上,可以广泛被用于200~400℃的工业加热和-80~0℃的工业冷却等用途。

除了作为传热介质在工业换热中应用外,部分合成类导热油还可以作为化学溶剂和工艺中间体在化工工艺中使用。此类工业用途主要是利用某些合成导热油的特殊化学成份对某些工艺介质有良好的溶解作用,同时又在高温条件下二者之间不发生化学反应的特殊性质加以使用的。当然,导热油与其它化学物质相比具有更高的热稳定性是被选作化学溶剂和工艺中间体的一个重要原因。

应用实例

由于导热油作为传热介质有其独特的优点,根据导热油的不同性质及功能,导热油作为传热介质已经被广泛应用于加热、冷却、余热回收、太阳能等工业领域及日常生活之中。近十年以来,在中国工业化发展进程中,大量新产品、新技术、新工艺的引进及大规模的工业技术改造,为导热油的工业应用和技术推广提供了难得的机遇,同时,也提高导热油实际应用水平和技术装备水平。目前,导热油在工业换热应用方面已经具有了相当大的规模,并且围绕着导热油的应用及相关服务在国内已形成了一条巨大产业链。

根据相关数据统计,中国市场上,导热油在工业换热应用中的需求量从八十年代平均1000吨/年,发展到九十年代5000吨/年,2004年增加到约50000吨/年;国内导热油系统最高使用温度(设计)为378℃,最低使用温度为-60℃;国内导热油最长使用寿命(至今未更换过油品)为25年(THERMINOL 55);国内使用导热油数量最多的行业为聚酯工业,约有上百个大型导热油加热系统(THERMINOL 66);国内最大的导热油加热系统一次性用油量为1600吨(THERMINOL 66);国内最大的导热油用户在其数个加热系统中使用导热油总数量为3000吨以上(THERMINOL 66)。以上统计数据可以看出,导热油在国内工业换热应用方面的重要性及其使用现状和应用规模。同时,从另一方面也可以预测出导热油在工业换热应用中的发展前景。

根据国内、外的经验和应用实例,采用导热油为传热介质的加热及冷却系统,已经在以下工业领域内得到广泛的、大规模的和成熟的应用:

导热油应用中的几个问题

导热油作为传热介质在工业换热中已得到广泛的使用,但近年来在导热油使用过程中也发生了一些问题,这些问题往往涉及到系统、设备、导热油及操作运行方面的缺陷,并给安全及经济运行和环保造成一些影响。

■操作过程中导热油的泄漏

导热油在操作条件下泄漏会导致油品燃烧或烫伤等严重的经济及人身伤亡事故,同时还会引发环境污染事故。油品的泄漏是导热油应用中绝大多数事故发生的根源。引起系统泄漏的原因很多,但究其根本,主要还是由于系统和设备存在设计、制造和安装缺陷、或操作错误所致。

■操作过程中导热油的过热、氧化和化学污染

导热油的过热、氧化和化学污染是导热油使用中的常见问题,它会造成导热油变质,恶化换热过程和影响传热效率,缩短导热油的使用寿命,严重者会导致加热炉炉管结焦而爆管漏油。造成油品过热超温、氧化和化学污染的主要原因仍然是系统、设备的缺陷和操作错误,油品质量差和油品的错误选择也是主要原因之一。

■使用中导热油品质的监控

导热油自从加入系统开始,油品的品质就会随着使用条件和时间的变化而变化。从安全和经济角度考虑,使用中的导热油品质变化应受到充分的重视。因为除油品在正常使用中的变化和油品自身原因外,系统及设备的缺陷和错误操作也会直接导致油品品质的变化,故通过对油品品质的日常监测,会及早的发现和纠正导热油系统及设备所存在的缺陷和操作方面的错误,避免了重大事故的发生和改善了安全操作条件。尽管对使用中油品的品质监测在安全和经济方面具有十分重要的意义,但目前国内大多数客户并没有对此项工作给予适当的重视。同时,大多数油品供应商并不具备相应的监测手段和技术服务能力,故其未向用户提供这一必需且重要的售后服务项目。此外,政府安监部门目前尚缺少适用于具体操作的相关法律文件和判定标准,也造成了在导热油使用过程中对油品质量、品质及设备安全监控方面的缺失。目前这些问题已引起政府安全监察部门及环保部门的关注,并将采用规范设计、制造、安装、检验和操作标准,加强监督及管理的方式减少和杜绝这类问题的发生。(end)

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