导热油结焦的危害性及机理

日期:2017-07-17 09:59:20 来源:上海久星导热油股份有限公司

导热油结焦的必然性及危害性

高温导热油在热油炉中循环传送热能的同时生成黏糊状的胶质。在质量好的导热油中,胶质会悬浮在油中,导热油在热油炉中循环时,可将部分胶质通过过滤器滤掉。所以过滤器要定期清洗,以免堵塞。当然也有相当一部分胶质,随油的循环而黏在炉管壁上。在高温作用下,此胶质逐渐发黑变硬,在炉管壁上形成结焦。此结焦的传热系数与炉管的传热系数是不相同的,在炉管结焦后,传热效果明显下降。但生产工艺所需温度是不变的,为了达到工艺要求,迫使热油炉提高油温。随时间推移,结焦逐渐增多,而管道逐渐缩小,炉管温度逐渐升高。

导热油的镜膜温度是指导热油分子结构损坏达10%时的温度,它是由导热油的分子结构所决定。一般导热油的镜膜温度在350℃左右,当导热油的实际温度超过它的镜膜温度时,其导热油的胶质会成倍增加,结焦会增厚。

由于结焦是非传热物质,当热油炉炉管壁沉积10mm厚的导热油结焦时,炉管内外壁温度差高达300℃,也就是说炉管内壁导热油温度为300℃时,而炉管外壁温度已达600多℃,炉膛需要更高温度才能达到此要求,而此时炉管已很难承受此温度,假如一过火就会使热油炉的炉管软化。由于炉管内有压力,因此会先在炉管上产生鼓泡,继续加热,炉管受压、鼓泡增大、开裂并漏油。遇到火源就燃烧,烧坏热油炉和房屋,造成人、财、物损失。所以,结焦是热油炉的大敌,是热油炉引起火灾的祸根。而如何清除结焦一直是人们关注和研究的课题。

1.1 导热油结焦的机理

以往人们对导热油认识不足,认为导热油只要在一定温度下可长期使用而不会结焦或者认为导热油使用长时间后会变质,只需更换导热油,炉管上就不会结焦的等等。导热油会不会在炉管壁上结焦,导热油使用一段时间后为什么会影响传热效果,这是近几年来导热油行业中讨论的焦点。实际上导热油与自然界其他产物一样,也存在由好变坏的过程,导热油在热油炉中加热运行如同水滴在水池边结水垢一样,也会形成结焦,而且结焦主要分以下四个阶段。

1.1.1 诱导阶段

导热油在热油炉炉管金属表面的受热作用下,主要发生两大类化学反应:一类是裂解反应,另一类是缩合反应。裂解反应使烷烃类大分子分解为小分子,导热油理化性质表现为黏度减小、闪点变小;缩合反应使烷烃类大分子缩合成多环芳烃或稠环芳烃等更大分子,导热油理化性质表现为黏度增大、闪点增高。

由于热油炉有膨胀槽,膨胀槽又与空气接触,使一部分低闪点的导热油挥发掉;又加上诱导阶段中,导热油的主要化学反应是缩合反应,故导热油报废时,理化性质中黏度、闪点、酸值、残炭值均增大。在这些化学反应中,其主要反应路线是:烷烃、烯烃、芳香烃、多环芳烃、胶质、沥青质。由此可见,在这个反应过程中,相对分子质量是逐步增大的。如胶质相对分子质量在6001000间,而沥青质相对分子质量在70040000间。这些大分子物质在导热油中是不溶的,并从导热油中分离出来。分离出来的胶质和沥青质是黏糊状的,它在导热油中起诱导因子作用,继续诱导导热油经加热缩合逐步发生脱氢反应。

1.1.2 吸附阶段

导热油经加热生成沥青质,然后沥青质向炉管金属表面迁移或被金属表面吸附。吸附是导热油的沥青质在炉管金属表面上迁移的表面现象。吸附可分物理吸附与化学吸附。物理吸附多在较低温度时进行,是范德瓦尔斯引力作用的结果,没有电子偶的形成,它可以是单分子吸附,也可以是多分子吸附,但并不一定在第一层吸满以后才吸附第二层;也不一定在第二层吸满以后再吸附第三层,是不规则吸附。而化学吸附只能单分子层吸附,且在吸附过程中生成化合物。导热油中沥青质在炉管金属表面主要是物理吸附,而且吸附厚度是不均匀的。而当温度增加后,碳与钢可能会发生化学吸附生成化合物,使炉管发脆,影响炉管质量。

1.1.3 硬化阶段

沥青质附着在炉管壁上,继续受热会硬化生成结焦。结焦相对来说是比较硬的,传热系数又很小,是非传热物质。它在金属表面增加一层结焦层后,起到隔热作用,故结焦在热油炉使用中无好处。

在硬化阶段中,结焦的主要化学反应是脱氢反应,随着脱氢程度不同,生成结焦的形状也不同,主要分以下三种:

(1)海绵状焦

也称无定形焦,C/H比小,焦块疏松,硬度低,结焦中含油量大,在火焰中易燃烧,离开火焰也燃烧,在炉管中易清除。海绵状焦由含芳烃量小的油生成。

(2)蜂窝状焦

也称同性焦,C/H比中等,焦块内部结构呈蜂窝状,硬度中等,结焦中含油量少,在火焰中不易燃烧,离开火焰不燃烧,在炉管中清除困难。蜂窝状焦由含芳烃量中等的油生成。

(3)针状焦

也称异性焦,C/H比高,焦块内的孔隙是均匀定向和呈细长椭圆形,破碎时焦块裂成针状的焦片或玻璃状,硬度高,结焦中含油量极少,在火焰中冒火星,离开火焰如石块,在炉管中清焦很困难。针状焦由含芳烃量高的油生成。

1 各种导热油结焦的性能对比

焦炭名

结构

C/H

外观硬度

生成方式

清焦难易度

海绵状焦

无定形

疏松

含芳烃量小的油生成

容易

蜂窝状焦

同性

中等

呈蜂窝状

等含芳烃量中等的油生成

困难

针状焦

异性

孔隙均匀

含芳烃量高的油生成

很困难

1.1.4 脱落阶段

脱落是吸附的可逆过程。在吸附过程中,沥青质被热油炉的管壁金属表面吸附上去,同时也有沥青质在热油炉的炉管金属表面脱落下来,这是方向相反的两个过程。在这两个过程进行到速度相等时,就建立起吸附平衡,吸附量达到最大值。

雷诺实验告诉我们,当雷诺数大于4000时,结焦在管壁表面的吸附速率较慢,脱落较多。通过雷诺公式计算,确定久星L-Q系列高温导热油在热油炉中流速大于2 m/s时,导热油在热油炉中结焦较少,从而增加导热油湍流程度,减少传热边界层中滞流底层厚度;减少对流传热热阻,提高对流传热系数;起到机械防焦和强化导热油流体传热的目的。

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